EP3280750A1 - Polymères séquencés pour le contrôle du filtrat - Google Patents

Polymères séquencés pour le contrôle du filtrat

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EP3280750A1
EP3280750A1 EP16716523.2A EP16716523A EP3280750A1 EP 3280750 A1 EP3280750 A1 EP 3280750A1 EP 16716523 A EP16716523 A EP 16716523A EP 3280750 A1 EP3280750 A1 EP 3280750A1
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EP
European Patent Office
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block
polymer
fluid
mol
particles
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EP16716523.2A
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German (de)
English (en)
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EP3280750B1 (fr
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Arnaud Cadix
James David Wilson
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Rhodia Operations SAS
Original Assignee
Rhodia Operations SAS
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Publication date
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Publication of EP3280750A1 publication Critical patent/EP3280750A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3280750B1 publication Critical patent/EP3280750B1/fr
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K8/00—Compositions for drilling of boreholes or wells; Compositions for treating boreholes or wells, e.g. for completion or for remedial operations
    • C09K8/42—Compositions for cementing, e.g. for cementing casings into boreholes; Compositions for plugging, e.g. for killing wells
    • C09K8/46—Compositions for cementing, e.g. for cementing casings into boreholes; Compositions for plugging, e.g. for killing wells containing inorganic binders, e.g. Portland cement
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F261/00—Macromolecular compounds obtained by polymerising monomers on to polymers of oxygen-containing monomers as defined in group C08F16/00
    • C08F261/02—Macromolecular compounds obtained by polymerising monomers on to polymers of oxygen-containing monomers as defined in group C08F16/00 on to polymers of unsaturated alcohols
    • C08F261/04—Macromolecular compounds obtained by polymerising monomers on to polymers of oxygen-containing monomers as defined in group C08F16/00 on to polymers of unsaturated alcohols on to polymers of vinyl alcohol
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F293/00—Macromolecular compounds obtained by polymerisation on to a macromolecule having groups capable of inducing the formation of new polymer chains bound exclusively at one or both ends of the starting macromolecule
    • C08F293/005—Macromolecular compounds obtained by polymerisation on to a macromolecule having groups capable of inducing the formation of new polymer chains bound exclusively at one or both ends of the starting macromolecule using free radical "living" or "controlled" polymerisation, e.g. using a complexing agent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B37/00—Preparation of polysaccharides not provided for in groups C08B1/00 - C08B35/00; Derivatives thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F2438/00—Living radical polymerisation
    • C08F2438/03—Use of a di- or tri-thiocarbonylthio compound, e.g. di- or tri-thioester, di- or tri-thiocarbamate, or a xanthate as chain transfer agent, e.g . Reversible Addition Fragmentation chain Transfer [RAFT] or Macromolecular Design via Interchange of Xanthates [MADIX]

Definitions

  • the present invention relates to the field of petroleum extraction. More specifically, it relates to agents providing a control effect of the filtrate in fluids injected under pressure in underground formations.
  • underground formation In the field of petroleum extraction, many stages are conducted by injecting fluids under pressure into underground formations.
  • underground formation is understood in its broadest sense and includes both a rock containing hydrocarbons, especially oil, that the different layers of rock crossed to access this oil rock and ensure the extraction of hydrocarbons.
  • rock is used to designate any type of material constituting a solid subterranean formation, whether the material constituting it is a rock or not, strictly speaking.
  • oil rock is used here as a synonym for "oil reservoir” and refers to any underground formation containing hydrocarbons, especially oil, whatever the nature of the material containing these hydrocarbons (rock or sand by example).
  • drilling fluids for completing and reconditioning wells, in particular drilling fluids, whether they are used to access the oil rock or to drill the reservoir itself. the same is true (“drill in”) or the fracturing fluids, or even the completion fluids, the fluids of control or reconditioning ("workover fluids”) or the ring fluids or fluids of "packer”.
  • a specific case is that of petroleum cement grouts, which are used for the cementation of the annulus of the oil wells according to a method well known per se, described for example in Le Forage by JP Nguyen (Technip 1993). These oil cement grouts are injected under pressure into the interior of a metal casing (casing) introduced into the borehole of the oil wells and then rise, under the effect of pressure by the so-called “annular” space ( “Annulus”) located between the casing and the borehole then take and harden in this ring, thus ensuring the stability of the well being drilled.
  • casing metal casing
  • Annulus annulus
  • the loss of fluid may further induce a quick setting of the cement, before the annular space is cemented, which can, among other things, weaken the structure of the well and impair its seal.
  • agents for controlling the filtrate of the aforementioned type have been proposed, which notably include cellulose derivatives (for example, hydroxyethylcellulose) or else AMPS-based copolymers such as those described, for example, in US 4,632,186 or US 4,515,635.
  • cellulose derivatives for example, hydroxyethylcellulose
  • AMPS-based copolymers such as those described, for example, in US 4,632,186 or US 4,515,635.
  • These additives are not always fully adapted to ensure, in practice, effective limitation of fluid loss.
  • the presence of other additives can inhibit the effect of agents used to ensure control of the filtrate.
  • the above filtrate control agents generally see their properties degrade.
  • An object of the present invention is to provide novel filtrate control agents for pressurized fluids in subterranean formations, which are well suited in practice.
  • the present invention provides a route to particular block copolymers, which are capable of providing a filtering control effect when employed with, and associated with, particles, which particles may be particles present in the underground formation; and / or cement particles in the case of a fluid used in cementing; and / or particles injected into subterranean formations with the copolymers.
  • the subject of the present invention is a process for preparing a block copolymer P comprising a first block (A) bonded to a second block (B), suitable, inter alia, for the preparation of copolymers sequencers useful as a filtrate control agent, and which comprises the following controlled radical polymerization steps:
  • (E1) is brought into contact, typically in an aqueous medium
  • step (E1) which acts as a control agent for the radical polymerization
  • labile hydrogen is meant, in the sense of the present description, a hydrogen atom capable of being torn off by homolytic rupture during a radical polymerization reaction (as opposed to, for example, an acidic proton). Typically, this hydrogen atom is torn off by a primary or propagation radical, the departure of this hydrogen leading to the formation of a radical.
  • the preparation method of the present invention is a process for the synthesis of two successive polymer blocks by the well-known controlled radical polymerization technique, but where the synthesis of the second block (block B ) is specifically carried out in the presence of a labile hydrogen-bearing polymer in addition to the ethylenically unsaturated monomers, whereby, schematically, at least a portion of the labile hydrogen-bearing polymer P ° is grafted onto the block B during its synthesis.
  • the subject of the invention is the block polymers of the type obtained according to the aforementioned method.
  • the invention particularly relates to some of the polymers obtained (or obtainable) by the above method, and which comprise:
  • the subject of the present invention is the use, as filtrate control agent, in a fluid (F) injected under pressure into an underground formation,
  • said fluid (F) comprises solid particles (p) and / or is contacted with solid particles (p) within the subterranean formation following its injection,
  • the subject of the present invention is the fluids for injection under pressure in a petroleum rock or wellbore comprising the specific block polymers of the aforementioned type, as well as the blends for the preparation of these fluids. comprising these polymers in combination with particles (p).
  • the specific polymers obtained in the context of the present invention by virtue of the presence of the two specific blocks (A) and (B) prove to provide a particularly effective control effect of the fluid: the presence of the block (A) ensures an anchoring of the polymer on the particles, and the presence of the long block (B), of high and soluble size, schematically ensures a local increase effect of the viscosity of the fluid (F) around the particles.
  • the interaction between the short block (A) and the particles (p) is as strong as possible and, advantageously, that this interaction is irreversible.
  • the short block (A) of a polymer (P) useful according to the invention comprises: At least one chemical group forming at least one bond of ionic, covalent or iono-covalent type between the polymer and the particle; and or
  • a plurality of chemical groups each forming at least one hydrogen and / or Van der Waals bond between the polymer and the particle, all of these bonds together forming a global binding of force at least in the range of that of an ionic type bond; , covalent, iono-covalent.
  • the strong interactions between particles and polymers also make it possible, if necessary, to use the polymer (P) in the presence of additives which usually impair the effectiveness of the filtrate control agents.
  • the polymers (P) as employed according to the invention can be used in most fluid formulations intended to be injected into petroleum rocks, in particular petroleum cement slurries comprising dispersant-type additives or retardant agents as well as in drilling and fracturing fluids.
  • the fluid (F) injected comprises the polymer (P) but does not comprise solid particles (p), and it encounters said particles (p) within the subterranean formation following its injection .
  • the association between particles and polymers is then in situ.
  • a fluid may for example be injected during a drilling operation, and rock cuttings formed during drilling then act as particles (p) in situ.
  • the injected fluid (F) comprises, before the injection, at least a part, and in general all, of the particles (p) associated with the polymer (P), it being understood that it may possibly meet other particles (p) within the subterranean formation.
  • mode 1 the polymer (P) and the particles (p) are mixed during the formulation of the fluid (F), at the place of operation or upstream, typically by adding the particles (p), to the dry state or optionally in the dispersed state, to a composition comprising the polymer (P) in solution.
  • the fluid (F) typically by adding the particles (p), to the dry state or optionally in the dispersed state, to a composition comprising the polymer (P) in solution.
  • (F) can for example be a petroleum cement slurry, which is prepared in adding cement powder as particles (p) in an aqueous composition comprising the polymer (P) in solution.
  • the fluid (F) is manufactured, advantageously at the place of operation, from a composition (premix) prepared upstream (hereinafter referred to as "blend") comprising the polymer (P) and at least a portion of the particles (p), generally in a dispersing liquid.
  • blend a composition (premix) prepared upstream (hereinafter referred to as "blend") comprising the polymer (P) and at least a portion of the particles (p), generally in a dispersing liquid.
  • this blend is mixed with the other constituents of the fluid (F).
  • the polymer (P) incidentally has the non-negligible advantage of improving the dispersibility and suspension of the particles (p).
  • the polymer (P) associated with the particles (p) can be used primarily as dispersant and stabilizer of the dispersion of the particles (p), while at the same time ensuring a carrier effect. filtrate control.
  • the controlled radical polymerization technique implemented in steps (E1) and (E2) is a well-known technique which makes it possible, with the aid of a polymerization control agent, to obtain polymers of masses. controlled and in particular sequenced polymers which can control both the architecture and the size of each of the blocks.
  • controlled radical polymerization processes lead, in a well-known manner, to the formation of polymer chains, all of which grow substantially at the same speed, which results in a substantially linear increase in the masses. with a number of chains which typically remains substantially fixed throughout the duration of the reaction, which makes it very easy to control the average molar mass of the synthesized polymer (the initial monomer / agent ratio). control defines the degree of polymerization obtained for synthesized chains).
  • the chains obtained moreover generally have a "living" character: they present at the end of the chain the reactive group present on the control agent.
  • the size of the polymer block in formation is controlled by the monomer / control agent molar ratio corresponding to the initial quantity of monomers relative to the amount of control agent: schematically, all the chains grow from each of the present control agents and the monomers are distributed evenly over all the growing chains.
  • the monomer / control agent molar ratio thus dictates the degree of polymerization of the block synthesized in each of the steps, and thus makes it possible to define the theoretical average molecular weight expected for each of the blocks.
  • the molar monomer / control agent ratios in steps (E1) and (E2) are chosen so that:
  • the theoretical number average molecular weight of the block (A) is between 250 and 25,000 g / mol, preferably between 500 and 15,000 g / mol, especially between 1,000 and 10,000 g / mol.
  • the theoretical number average molecular weight of the block (B) is between 70,000 and 5,000,000 g / mol, preferably between 80,000 and 3,000,000 g / mol, especially between 90,000 and 2,000,000 g / mol. .
  • this theoretical number average molecular weight of the block (B) is more preferably between 90,000 and 1,000,000 g / mol, advantageously between 100,000 and 500,000 g / mol.
  • the block (B) can advantageously be prepared in step (E2) by putting in contact
  • the polymer P ° with a concentration of monomers within the reaction medium of the step (E2) which is sufficiently high to induce gelation of the medium if the polymerization is conducted in the absence of the control agent.
  • This polymerization technique makes it possible to access blocks (B) of large sizes.
  • the synthesis of the block (B) can be carried out under the polymerization conditions described in application WO 2012/042167.
  • the block (B) when the block (B) is hydrophilic, the block (B) can be synthesized by contacting, within an aqueous medium (M) in which the block (B) formed is not soluble:
  • a reactive stabilizer which comprises:
  • a group (G) ensuring a living character and controlled to the radical polymerization of step (E), such as, for example, a group carrying a thiocarbonylthio group -S (C S) -
  • the conditions to be used in the aforementioned polymerization steps can be those typically used in controlled radical polymerizations.
  • hydrogen peroxides such as tertiary butyl hydroperoxide, cumene hydroperoxide, t-butyl peroxyacetate, t-butyl peroxybenzoate, t-butylperoxyoctoate, t-butylperoxynethodecanoate and t-butylperoxyisobutarate; , lauroyl peroxide, t-amylperoxypivalte, t-butylperoxypivalate, dicumyl peroxide, benzoyl peroxide, potassium persulfate, ammonium persulfate,
  • azo compounds such as: 2-2'-azobis (isobutyronitrile), 2,2'-azobis (2-butanenitrile), 4,4'-azobis (4-pentanoic acid), 1,1 ' azobis (cyclohexane-carbonitrile), 2- (t-butylazo) -2-cyanopropane, 2,2'-azobis [2-methyl-N- (1,1) -bis (hydroxymethyl) -2-hydroxyethyl] propionamide, 2,2'-azobis (2-methyl-N-hydroxyethyl) -propionamide, 2,2'-azobis (N, N'-dimethyleneisobutyramidine) dichloride, 2,2'-azobis dichloride (2 -amidinopropane), 2,2'-azobis ( ⁇ , ⁇ '-dimethyleneisobutyramide), 2,2'-azobis (2-methyl-N- [1,1-bis (hydroxymethyl) -2-hydroxyethyl] propionamide) 2,2'-azobis
  • alkali metal bisulfite such as sodium metabisulphite
  • alkali metal persulfates in combination with an arylphosphinic acid, such as benzene phosphonic acid and the like, and reducing sugars in combination with an arylphosphinic acid, such as benzene phosphonic acid and the like, and reducing sugars.
  • an arylphosphinic acid such as benzene phosphonic acid and the like
  • reducing sugars in particular, in the case of polymerization carried out in an aqueous medium, it may be used a radical initiator of the redox type, which has the advantage of not requiring heating of the reaction medium (no thermal initiation), which allows better still manage the exotherm of the reaction.
  • the source of free radicals employed can typically be selected from redox initiators conventionally used in radical polymerization, typically not requiring heating for their thermal initiation. It is typically a mixture of at least one oxidizing agent with at least one reducing agent.
  • the oxidizing agent present in the redox system is preferably a water-soluble agent.
  • This oxidizing agent may for example be chosen from peroxides, such as: hydrogen peroxide, tertiary butyl hydroperoxide, cumene hydroperoxide, t-butyl peroxyacetate, t-butylperoxybenzoate, t butylperoxyoctoate, t-butylperoxynéodécanoate, t-butylperoxyisobutarate, lauroyl peroxide, t-amylperoxypivalte, t-butylperoxypivalate, dicumyl peroxide, benzoyl peroxide; sodium persulfate, potassium persulfate, ammonium persulfate, or even potassium bromate.
  • the reducing agent present in the redox system is also preferably a water-soluble agent.
  • This reducing agent can typically be selected from sodium formaldehyde sulfoxylate (especially in its dihydrate form, known as Rongalit or in the form of an anhydride), ascorbic acid, erythorbic acid, sulphites, bisulphites or metasulfites (in particular sulphites, bisulphites or metasulfites of alkali metals), nitrilotrispropionamides, and tertiary amines and ethanolamines (preferably water-soluble).
  • Possible redox systems include combinations such as:
  • alkali metal bisulfite such as sodium metabisulphite
  • arylphosphinic acid such as benzene phosphonic acid and the like, and reducing sugars.
  • An interesting redox system includes (and preferably consists of), for example, the combination of ammonium persulfate and sodium formaldehyde sulfoxylate.
  • reaction medium of step (E) is free of copper.
  • a copper complexing agent such as EDTA.
  • control agent used in the synthesis steps of the blocks (A) and (B) can vary to a large extent.
  • control agent may carry several thiocarbonylthio groups.
  • control agent used in step (E2) is a living polymer resulting from step (E1). It can also be envisaged that the control agent of step (E1) is derived from a previous step (E0) in which the radical polymerization of a composition comprising:
  • a control agent adapted to the synthesis of the polymer (P) useful according to the invention advantageously corresponds to the formula (A) below:
  • Ri represents . an optionally substituted alkyl, acyl, aryl, aralkyl, alkene or alkyne group,
  • the groups R 1 or Z when substituted, may be substituted with optionally substituted phenyl groups, optionally substituted aromatic groups, saturated or unsaturated carbon rings, saturated or unsaturated heterocycles, or alkoxycarbonyl or aryloxycarbonyl groups ( -COOR), carboxy (-COOH), acyloxy (-O2CR), carbamoyl (-CONR2), cyano (-CN), alkylcarbonyl, alkylarylcarbonyl, arylcarbonyl, arylalkylcarbonyl, phthalimido, maleimido, succinimido, amidino, guanidimo, hydroxy (-OH ), amino (-NR2), halogen, perfluoroalkyl C n F 2n + 1, allyl, epoxy, alkoxy (-OR), S-alkyl, S-aryl, groups having a hydrophilic or ionic character such as the alkaline salts of carboxylic acids, alkali metal salts of
  • the optionally substituted alkyl, acyl, aryl, aralkyl or alkyne groups generally have 1 to 20 carbon atoms, preferably 1 to 12, and more preferably 1 to 9 carbon atoms. They can be linear or branched. They may also be substituted by oxygen atoms, in particular esters, sulfur or nitrogen atoms.
  • alkyl radicals mention may especially be made of the methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, isopropyl, tert-butyl, pentyl, hexyl, octyl, decyl or dodecyl radical.
  • the alkyne groups are radicals generally of 2 to 10 carbon atoms, they have at least one acetylenic unsaturation, such as the acetylenyl radical.
  • the acyl group is a radical generally having from 1 to 20 carbon atoms with a carbonyl group.
  • aryl radicals there may be mentioned the phenyl radical, optionally substituted in particular by a nitro or hydroxyl function.
  • aralkyl radicals mention may especially be made of the benzyl or phenethyl radical, optionally substituted in particular by a nitro or hydroxyl function.
  • R 1 or Z is a polymer chain
  • this polymer chain may be derived from a radical or ionic polymerization or from a polycondensation.
  • it is particularly advantageous to use as control agents xanthates, trithiocarbonates, dithiocarbamates, or dithiocarbazates.
  • the polymer PO The polymer P ° implemented in step (E2) of the process of the invention can vary to a very large extent, provided that it has labile hydrogens allowing its grafting on the block B.
  • the polymer P ° used in step (E2) of the process of the invention may for example be a non-ethylenically unsaturated natural polymer chosen from:
  • polysaccharides such as guars, celluloses or dextrans, xanthan gums, carrageenans, alginates, chitosans
  • the polymer P ° used in step (E2) can in particular be a non-ethylenically unsaturated synthetic polymer chosen from:
  • poly (alkyl oxides) such as polyethylene glycol PEG
  • step (E2) the polymer P ° is typically employed in solution. Alternatively, it may optionally be used in aqueous dispersion.
  • fluid in the sense of the description any medium, homogeneous or not, comprising a liquid or viscous carrier optionally carrying a dispersed phase, liquid or gelled, and / or or solid particles, said medium being generally pumpable by means of pressure injection devices used in the application in question.
  • liquid or viscous vector of the fluid (F) is meant the fluid itself; or the solvent in the case where the fluid comprises dissolved compounds and / or the continuous phase in the case where the fluid contains dispersed elements (droplets of liquid or gelled dispersed phase, solid particles, etc.).
  • the nature of the fluid (F) and the long block (B) of the polymers (P) used according to the present invention can vary to a large extent, subject to the compatibility of the liquid or viscous fluid medium (F) and the block long (B).
  • a long block (B) of hydrophilic nature is used when the liquid or viscous vector present in the fluid (F) is hydrophilic in nature; conversely, when the liquid or viscous fluid vector (F) is hydrophobic, a long block (B) of hydrophobic nature is used.
  • the long block (B) of the polymers useful according to the invention is specifically soluble in the fluid (F). By this is meant that the long block (B) taken alone can be dissolved in the liquid or viscous fluid vector (F).
  • the long block (B) is soluble at 25 ° C. and 1% by weight in the liquid or viscous fluid medium (F).
  • the concept of "solubility at 25 ° C” implies only that a more or less viscous or gelled solution can be obtained which, at 25 ° C., does not lead to precipitation. This notion does not exclude that the dissolution of the block (B) may involve preheating above 25 ° C to obtain this solution.
  • the concept of "solubility at 25 ° C” implies the possibility of forming a solution that does not precipitate at 25 ° C, and not the possibility of forming at 25 ° C a solution that does not precipitate.
  • the long block (B) develops the least possible interaction, or even no interaction, with the particles (p). It is also preferable that the long block (B) of the polymers (P) useful according to the invention develops fewer interactions with the particles than the short block (A). In any case, the block (A) and the block (B) have distinct compositions. This means that:
  • Blocks (A) and (B) comprise distinct monomeric units; or
  • At least some of the monomers present on the block (A) are not present on the block (B); and / or at least some of the monomers present on the block (B) are not present on the block (A)
  • Block (A) and block (B) comprise the same monomer units, but in different proportions.
  • the fluid (F) is an aqueous fluid.
  • Aqueous here means that the fluid comprises as liquid or viscous water, either as a single constituent of the liquid or viscous carrier, or in combination with other water-soluble solvents.
  • the water advantageously remains the majority solvent in the liquid or viscous vector, advantageously present in a proportion of at least 50% by weight. mass, or even at least 75% by weight relative to the total mass of solvents in the liquid or viscous carrier.
  • the block (B) is advantageously a block of hydrophilic nature.
  • block of hydrophilic nature is meant here a polymer block which, in the isolated state, is soluble in pure water at a rate of 1% by weight at 25 ° C. (the dissolution may possibly involve heating ), forming a more or less viscous solution, even gelled, but without precipitate formation at 25 ° C.
  • the hydrophilic block (B) used when the fluid (F) is an aqueous fluid consists at least predominantly of monomer units chosen from the group consisting of the monomer units U1 to U5 defined below, and the mixtures of these monomer units:
  • monomeric units U1 monomeric units comprising an acrylamide functional group, in particular dimethylacrylamide (DMA) or else (meth) acrylamide, morpholine N-oxide acrylamide, diacetone acrylamide; the block (B) advantageously comprises monomer units of this type
  • monomer units U2 monomeric units comprising a sulphonic acid or sulphonate functional group, including in particular 3-sulphopropyl (meth) acrylate, 2-propene-1-sulphonic acid, 1-sodium 2-hydroxypropyl sulphonate (COPS1) including 2-acrylamido-2-methylpropanesulphonic acid (AMPS), (meth) allyl sulfonate, sodium vinyl sulfonate, sodium styrene sulfonate, 3-sulfopropyldimethyl-3-methacrylamidopropylammonium, N- (2-methacryloyloxyethyl) -N, N-dimethyl-N- (3-sulfopropyl) ammoniumbetaine, N- (2-1- (3-sulfopropyl) -2-vinylpyridinium-betaine .
  • U3 monomer units Neutral monomer units including, inter alia: mono acid esters or ⁇
  • tetrahydrofurfuryl acrylate vinyl acetamide, vinyl pyrrolidone, N-vinylpiperidone, N-vinyl caprolactam, N-vinyl-5-methyl-2-pyrrolidone, N-vinyl-5-ethyl-2-pyrrolidone, N-vinyl-6 -methyl-2-piperidone, N-vinyl-6-ethyl-2-piperidone, N-vinyl-7-methyl-2-caprolactam, N-vinyl-7-ethyl-2-caprolactam.
  • monomer units U4 monomer units carrying ammonium groups, especially esters of mono- or dicarboxylic acids [alpha], [beta] -ethylenically unsaturated with amino alcohols, such as N, N-dimethylaminomethyl (meth) acrylate, N N, N-dimethylaminoethyl (meth) acrylate, N, N-diethylaminoethyl acrylate, N, N-dimethylaminopropyl (meth) acrylate, N, N-diethylaminopropyl (meth) acrylate and N, N-dimethylaminocyclohexyl (meth) acrylate;
  • amides of [alpha], [beta] -ethylenically unsaturated mono- or di-carboxylic acids with diamines having at least one primary or secondary amine group such as N- [2- (dimethylamino) ethyl] acrylamide, N [ 2- (dimethylamino) ethyl] methacrylamide, N- [3- (dimethylamino) propyl] acrylamide, N- [3- (dimethylamino) propyl] methacrylamide, N- [4- (dimethylamino) butyl] acrylamide, N- [4] [N- [2- (diethylamino) ethyl] acrylamide, N- [4- (dimethylamino) cyclohexyl] acrylamide, N- [4- (dimethylamino) cyclohexyl] methacrylamide
  • ⁇ , ⁇ -diallylamines and N, N-diallyl-N-alkylamines including especially 3-sulfopropyldimethyl-3-methacrylamidopropylammonium, N- (2-methacryloyloxyethyl) -N, N-dimethyl-N- (3-sulfopropyl) ammoniumbetaine, N- (2-1- (3-sulfo-propyl) -2-vinylpyridiniumbetaine, and N- (2-1- (3-sulfopropyl) -4-vinylpyridinium betaine monomeric units
  • U5 acrylate monomer units bearing COOH or COO- groups, especially including acrylic acid, methacrylic acid, ethacrylic acid, [alpha] -chloroacrylic acid, crotonic acid, maleic acid, itaconic acid, citraconic acid, mesaconic acid, glutaconic acid, aconitic acid, fumaric acid
  • the hydrophilic block (B) used when the fluid (F) is an aqueous fluid consists essentially, if not exclusively, of monomer units of the aforementioned type, where, in the aforementioned units, the groups Acids may be wholly or partly in the form of free acid and / or salt form for example potassium, sodium or ammonium (neutralized form).
  • polymer or polymer block consisting at least predominantly of monomeric units refers to a (block) homopolymer or copolymer resulting from the polymerization of a monomer mixture including monomers x, this (block) homopolymer or copolymer comprising less than 25 mol%, preferably less than 15% and even more preferably less than 10 mol% of monomer units other than the 'x' units.
  • polymer or polymer block consisting essentially of monomer units 'x' for its part means, within the meaning of the present description, a (block) homopolymer or copolymer consisting at least predominantly of monomer units 'x' of the type above, more specifically comprising less than 5 mol%, preferably less than 2% and even more preferably less than 1 mol% of monomer units other than 'x' units.
  • the hydrophilic block (B) used when the fluid (F) is an aqueous fluid may comprise hydrophobic monomers in small proportions, typically at least 0, 05%, including at least 0.1%, or at least 0.5%, where applicable; this content of hydrophobic monomers preferably remaining less than 10%, for example less than 5%, especially less than 3%, or even 2%, these percentages being expressed by mass relative to the total mass of the monomer units in the block (B).
  • hydrophobic monomers of this type can typically (but not exclusively) be selected from alkyl acrylates (such as methyl acrylate); styrene; alkyl methacrylates; and / or vinyl acetate.
  • the long block (B) present in the polymers employed according to the present invention also has a sufficiently high mass to ensure the control effect of the desired filtrate.
  • the block (B) typically has a weight average molecular weight greater than 100,000 g / mol, preferably greater than 150,000 g / mol, for example greater than 200,000 g / mol, especially greater than 250,000 g / mol. g / mol, especially when the block (B) is of one of the aforementioned types.
  • this weight average molecular weight is most often less than 3,000,000 g / mol (and typically between 150,000 and 2,000,000 g / mol), but higher masses can be envisaged in absolute terms, except in the particular case of a fluid (F) used in the context of a cementing operation, where it is preferable for the weight average molecular weight of the long block (B) to remain below 1 000 000 g / mol, and advantageously less than 800 000 g / mol.
  • the block (B) has a weight average molecular weight of between 10,000 and 100,000 g / mol, preferably at least 20,000 g / mol, for example from less than 25,000 g / mol, this weight average molecular weight typically being less than 90,000, for example less than 75,000, or even less than 50,000.
  • An estimate of the weight average molecular weight of the long block (B) can be measured by steric exclusion chromatography and mass measurement using external calibration with relative ethylene oxide (CES) standards, which leads to a slightly increased value of the weight average molecular weight designated in the present description by Mw (relative CES).
  • CES relative ethylene oxide
  • This Mw (relative CES) is typically measured under the following conditions: Mobile phase: Mixture of 80% by weight of deionized water with 0.1 M
  • Sample concentration about 0.5% by mass of dry matter in the mobile phase
  • the Mw (relative CES) of the long block (B) of the polymers (P) useful according to the invention is generally greater than or equal to 125 000 g / mol, preferably greater than or equal to at 150,000 g / mol, this Mw (relative CES) typically being between 200,000 and 2,500,000 g / mol, especially between 250,000 and 2,000,000 g / mol. According to a more particular embodiment, it may be less than 125,000 g / mol, for example between 12,500 and 100,000 g / mol.
  • the Mw (relative CES) of the long block (B) of the polymers (P) In the case of a fluid (F) used in the context of a cementing operation, the Mw (relative CES) of the long block (B) of the polymers (P) and typically (but not exclusively) between 25,000 and 900 000 g / mol, for example between 250,000 and 900,000 g / mol. In practice, the Mw (relative CES) of the polymer (P) is measured, which, because of the low mass of the block (A) also represents a fairly good approximation, increased, of the mass average molecular weight of the block (B). ).
  • the Mw (relative CES) of the polymer (P) is in general greater than or equal to 15,000 g / mol, and for example greater than or equal to 150,000 g / mol, preferably greater than or equal to 200,000 g / mol, example greater than or equal to 300,000 g / mol, in particular greater than or equal to 400,000 g / mol, this Mw (relative CES) of the polymer (P) being typically between 200,000 g / mol and 2,500,000 g / mol, in particular between 250,000 g / mol and 2,000,000 g / mol.
  • the block (B) is advantageously a block of hydrophilic nature, preferably comprising U1 units of the aforementioned type, in particular dimethylacrylamide DMA units, possibly, but not necessarily, in combination with U2 units, in particular acrylamidomethylpropanesulphonic acid units (AMPS) ), optionally wholly or partly in sulphonate form, for example in the form of its sodium salt.
  • U1 units of the aforementioned type in particular dimethylacrylamide DMA units, possibly, but not necessarily, in combination with U2 units, in particular acrylamidomethylpropanesulphonic acid units (AMPS) ), optionally wholly or partly in sulphonate form, for example in the form of its sodium salt.
  • AMPS acrylamidomethylpropanesulphonic acid units
  • the block (B) is constituted at least predominantly (for example essentially, or even exclusively) by a mixture of DMA and AMPS units, with a DMA / AMPS molar ratio for example between 60/40 and 90/10, especially between 75/25 and 85/15 and typically of the order of 80/20.
  • Block (B) typically has a weight average molecular weight of between 150,000 and 750,000 g / mol, preferably between 200,000 and 700,000 g / mol.
  • the block (B) may have a weight average molecular weight of between 15,000 and 150,000 g / mol, preferably between 20,000 and 100,000 g / mol.
  • the block (B) typically has a Mw (relative GPC) of between 200,000 and 800,000, preferably between 250,000 and 900,000 g / mol, for example 300,000 to
  • the block (B) may alternatively have a Mw (relative GPC) of between 20,000 and 200,000, preferably between 25,000 and 180,000 g / mol, for example 30,000 and 150,000 g / mol, the polymer (P) having in general a Mw (relative CES) included in these ranges.
  • Mw relative GPC
  • the long block (B) used when the fluid (F) is a petroleum cement slurry is typically a DMA / AMPS statistical block, with a DMA / AMPS molar ratio between 75/25 and 85/15 (typically of the order of 80/20), and a Mw (GPC-MALS) of between 20,000 and 7,500,000, in particular between 200,000 and 750,000, for example between 400,000 and 600,000.
  • particle in the sense in which it is used in the present description is not confined to that of individualized particles. It refers more generally to solid entities dispersible within a fluid, in the form of objects (individual particles, aggregates, etc.) whose dimensions are less than 5 mm, preferably 2 mm, for example less than 1 mm.
  • the nature of the particles (p) and the short block (A) of the polymers (P) used according to the present invention can vary to a large extent, provided that the block (A) interacts with the particles (p) and leads to an immobilization, preferably irreversible, of polymer (P) on the surface of the particles (p).
  • the block (A) generally comprises monomer units carrying groups developing with the particles (p) stronger interactions than the long block (B).
  • the particles (p) are mineral particles introduced into the fluid (F) or with which the fluid (F) comes into contact following its injection. These particles (p) are then typically particles of cement, calcium carbonate, clay, barite, silica, sand or carbon black.
  • the block (A) is preferably constituted at least predominantly (and preferably essentially, if not exclusively) by monomer units chosen from the preferential groups defined below, to be adapted case by case as a function of the nature of the particles (p). :
  • the block (A) may in particular consist at least in the majority (and preferably essentially or exclusively) of:
  • Monomer units U5 of the aforementioned type advantageously present in the block (A); and or
  • ⁇ carrier U6 monomer units phosphate groups, phosphonate or phosphinate (in free acid form and / or salt form), such as phosphate units monoacryloxyethyl, bis (2-methacryloxyethyl) phosphate, the monomer units introduced using the Sipomer PAM 100, 200, 400 or 5000 available from Solvay, vinylphosphonic acid, allylphosphonic acid, isopropylphosphonic acid, diallyl phosphonate aminomethylene and their salts.
  • the block (B) is then typically constituted at least predominantly (and preferably substantially, or even exclusively) by units U1 and / or U2 of the aforementioned type
  • the block (A) may in particular be constituted at least predominantly (and preferably substantially, if not exclusively) by:
  • the block (B) is then typically constituted at least predominantly (and preferably essentially, if not exclusively) by units U1 and / or U2 and / or U5 of the aforementioned type
  • the block (A) may in particular be constituted at least predominantly (and preferably substantially or exclusively) by
  • the block (B) is then typically constituted at least predominantly (and preferably essentially, if not exclusively) by units U1 and / or U2 of the aforementioned type.
  • the block (A) may in particular be constituted at least predominantly (and preferably essentially, if not exclusively) by hydrophobic U8 units, including in particular
  • the block (B) is then typically constituted at least predominantly (and preferably essentially, if not exclusively) by units U1 and / or U2 and / or U5 of the aforementioned type
  • the short block (A) present in the polymers employed according to the present invention has, in general, a weight average molecular weight of between 500 and 30,000 g / mol, for example between 1000 and 25,000 g. / mol and especially when the block (A) is of one of the aforementioned types.
  • the short block (A) is a poly (acrylic acid) homopolymer block of weight average molecular weight ranging from 1 000 to 20,000 g / mol.
  • the weight-average molecular weight of the short block (A) can be measured in particular by gel permeation chromatography followed by multi-angle light scattering (GPC-MALS) analysis.
  • Polymers useful according to the present invention are particular polymers, which comprise at least two blocks of very different size, including a block (B) of large size.
  • Polymers (P) useful according to the invention generally comprise only blocks (B) and (A). They are typically diblock polymers (A) - (B), but polymers comprising more blocks are possible, in particular copolymers comprising a long block (B) on which are grafted two or more short blocks (triblock polymers of type (A) - (B) - (A) in particular), or else copolymers comprising a spacer block between the block (B) and the block (A).
  • These polymers include in particular block polymers containing, preferably as single blocks:
  • At least a first block at least predominantly (and preferably substantially, or exclusively) constituted by acrylic acid units, of weight average molecular weight between 500 and 30,000 g / mol, in particular between 1,000 and 20,000; and a second p block (DMA / AMPS) at least predominantly (and preferably essentially, if not exclusively) constituted by a statistical mixture of DMA and AMPS units, with a DMA / AMPS molar ratio of between 60/40 and 90/10; having a molecular weight greater than 150 000 g / mol, typically between 200 000 and 2 000 000 g / mol and especially between 250 000 and 750 000 g / mol.
  • DMA / AMPS second p block
  • aqueous fluids for injection under pressure in a petroleum rock in particular drilling fluids and fracturing fluids, comprising them in association with mineral particles, as well as blends for the preparation of these fluids.
  • the polymers useful according to the invention can be used in almost all the fluids used in petroleum extraction and potentially subject to fluid loss.
  • the fluid (F) is a petroleum cement slurry, which comprises the polymer (P) as an additive.
  • the polymer (P) associated with the particles present in cement, provides the control effect of the filtrate during cementation.
  • the fluid (F) is a drilling fluid or a fracturing fluid, which comprises the polymer (P) associated with particles (p). The particles (p) are then most often introduced together with the polymer in the fluid (F) before the injection of the fluid. The polymer then generally ensures a stabilization of the dispersion of the particles in the fluid (F), while maintaining in suspension in the fluid at least a portion of the particles (p).
  • concentrations of polymer and particles to be employed in these different fluids are to be adapted case by case according to the intended application and the desired rheology.
  • Various aspects and advantages of the invention will be further illustrated by the following example in which polymers have been prepared according to the method of the invention.
  • hybrid NaAMPS / n, n-DMA / AS / AM / caustic lignite / PAA-Xa so-called "hybrid NaAMPS / n, n-DMA / AS / AM / caustic lignite / PAA-Xa"
  • the flask was then placed in an oil bath thermostated at 60 ° C, and the reaction medium was stirred for 4 hours at 60 ° C.
  • a 384.6 g demineralized water and 3.81 g SYN-320E (silicone antifoamant) were introduced into a 1 L jacketed reactor. The mixture was stirred with a magnetic stirrer, then 33.9 g of Super Treat lignite treated with sodium hydroxide was added and stirring was continued for 15 minutes.
  • PAA-Xa prepared in step 1.1 (7.50 g of 47.9% solution in water).
  • the pH of the solution was adjusted to between 8.7 and 9.5 with 25% NaOH solution (3.53 g).
  • the reaction mixture was heated to 50 ° C and degassed by bubbling nitrogen for 30 min while stirring, at the end of these 30 min a nitrogen sky was maintained in the reactor with a reduced flow of 1 scfh .
  • a solution of sodium persulfate (2.65 g of sodium persulfate in 7.92 g of demineralized water) was then injected with a syringe and allowed to stir for 1 minute before introducing a solution of metabisulfite. of sodium (0.95 g of sodium metabisulphite in 3.74 g of demineralized water).
  • the reaction medium was stirred for 10 min, after observation of the end of the polymerization exotherm.
  • a second injection of initiators sodium persulfate and sodium metabisulfite was then performed using the same addition protocol as for the first injection (0.839 g of sodium persulfate in 2.5 g of demineralized water / 0.95 g of sodium metabisulphite in 3.74 g of demineralized water).
  • the reaction medium was stirred for 10 min.
  • Fluid loss control performance was evaluated using Class H cement with a density of 3.18 g / cm3.
  • the formulation and the filtration test were performed according to the standard of the American Petroleum Institute (API recommended practice for testing items 10B, 2nd edition April 2013).
  • the polymer to be tested (36.0 g) and demineralized water (256.1 g) were introduced and mixed at low speed until a homogeneous mixture was obtained.
  • Syn-320E 2 ml of Syn-320E were then added to the blender, followed by vigorous stirring until a constant vortex was obtained, ie until about 60 seconds after the end of the introduction of the solids and the Syn- 320E.
  • the apparatus used to measure Fluid Loss is Model 7120 from Chandier Engineering.
  • the cement grout prepared in the blender was poured into the Chandier cell.
  • the cell was closed and pressurized at 500psi (35 bar) to condition the cement at a temperature of 176 ° C. Stirring was maintained in the cell throughout the conditioning period.
  • the stirring motor was turned off, the cell was inverted and the main cylinder pressure was increased to 125 psi.
  • the back pressure of the filtrate collector was adjusted to 125 psi, so as to ensure filtration with a differential pressure of 1000 psi.
  • the valve was then opened at the bottom of the apparatus.
  • the volume of recovered filtrate was measured every 2 minutes for 30 minutes.
  • the synthesis was carried out at the laboratory scale in a glass reactor equipped with mechanical agitation, an efficient heating / cooling and temperature control system and a vapor reflux / condensation system.
  • the monomer solution in water and the initiator V-50 (2,2'-Azobis (2-methylpropionamidine) hydrochloride) in water were introduced into the reactor separately semi-continuously for periods of time. determined and keeping a constant temperature 60 ° C +/- 2 (see Table 1 with charges and reaction conditions).
  • the polyacrylic acid functionalized with the xanthate group was synthesized with a target molecular weight of 1000 g / mol.
  • the monomer and Rhodixan A1 conversions were determined by 1H NMR.
  • the A1 block prepared as indicated in paragraph 1 .1 was used in its reaction medium obtained, without purification, with a mass of block polymer A1 as reported in Table 3 below.
  • the synthesis was carried out at the laboratory scale in a glass reactor equipped with mechanical agitation, an efficient heating / cooling and temperature control system and a vapor reflux / condensation system.
  • the initial charge composition of the reagents and solvents (first block A1, 2- Acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid sodium knows - AMPS (Na), dimethylacrylamide - DMAM, water, ammonium persulfate - APS, Hydroxymethanesulfinic acid monosodium knows dihydrate - NaFS
  • Block A1 has been used as MADIX transfer agent.
  • diblock copolymers of poly (acrylic acid) -b-poly (N, N-dimethylacrylamide-co-AMPSNa) grafted with PVA polyvinyl alcohol were synthesized with a number-average molecular weight of 200,000 g / mol.
  • the diblock polymers P1 to P3 prepared in the examples were used to make petroleum cement slurries having the following formulation:
  • the filtrate control agent is mixed with liquid additives and tap water before incorporation of the cement.
  • the slurry obtained was conditioned at 88 ° C. for 20 minutes in an atmospheric consistometer (model 1250 supplied by Chandier Engineering Inc.) previously stabilized at this temperature, which allows to simulate the conditions experienced by the cement grout when descending into a well.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de préparation d'un copolymère séquencé comprenant un premier bloc (A) lié à un second bloc (B), et qui comprend les étapes de polymérisation radicalaire contrôlée suivantes : (E1) on met en contact, typiquement en milieu aqueux : - des monomères éthyléniquement insaturés mA, choisis pour la constitution du bloc (A); - une source de radicaux libres; et - un agent de contrôle de la polymérisation radicalaire; puis (E2) on met en contact : - le polymère obtenu à l'issue de l'étape (E1); - des monomères éthyléniquement insaturés mB„; - une source de radicaux libres; et - un polymère P0 non éthyléniquement insaturé et porteur d'hydrogènes labiles.

Description

Polymères séquencés pour le contrôle du filtrat
La présente invention a trait au domaine de l'extraction pétrolière. Plus précisément, elle concerne des agents assurant un effet de contrôle du filtrat dans des fluides injectés sous pression dans des formations souterraines.
Dans le domaine de l'extraction pétrolière, de nombreuses étapes sont conduites en injectant des fluides sous pression au sein de formations souterraines. Dans la présente description, la notion de « formation souterraine » s'entend dans son acception la plus large et inclut aussi bien une roche contenant des hydrocarbures, notamment du pétrole, que les différentes couches de roche traversées pour accéder à cette roche pétrolifère et assurer l'extraction des hydrocarbures. Au sens de la présente description, la notion de « roche » est utilisée pour désigner tout type de matériau constitutif d'une formation souterraine solide, que le matériau la constituant soit, ou non, une roche à proprement parler. Ainsi, en particulier, l'expression « roche pétrolifère » est employée ici comme synonyme de « réservoir pétrolifère » et désigne toute formation souterraine contenant des hydrocarbures, notamment du pétrole, quelle que soit la nature du matériau contenant ces hydrocarbures (roche ou sable par exemple).
Parmi les fluides injectés sous pression dans des formations souterraines, on peut notamment citer les différents fluides de complétion et reconditionnement des puits, notamment les fluides de forage, qu'ils soient utilisés pour accéder à la roche pétrolière ou bien pour forer le réservoir lui-même (« drill in ») ou bien les fluides de fracturation, ou bien encore les fluides de complétion, les fluides de contrôle ou de reconditionnement (« workover fluids ») ou les fluides d'annulaire ou fluides de « packer ».
Un cas spécifique est celui des coulis de ciment pétrolier, qui sont employés pour la cimentation de l'annulaire des puits pétroliers selon une méthode bien connue en soi, décrite par exemple dans Le Forage par J.P Nguyen (Editions Technip 1993). Ces coulis de ciment pétroliers sont injectés sous pression dans l'intérieur d'un tubage métallique (cuvelage) introduit dans le trou de forage des puits de pétrole puis remontent, sous l'effet de la pression par l'espace dit « annulaire » (« annulus » en anglais) situé entre le cuvelage et le trou de forage puis prennent et durcissent dans cet annulaire, assurant ainsi la stabilité du puits en cours de forage. Au sein d'un puits d'extraction pétrolière, la mise en contact du fluide sous pression et de la formation souterraine (qui présente le plus souvent une porosité plus ou moins élevée, voire des fissures) induit un effet dit de « perte de fluide » dit également de « filtrat » (phénomène désigné par le terme de « fluid loss » en anglais) : le liquide présent dans le fluide a tendance à pénétrer dans la roche constitutive de la formation souterraine, ce qui peut endommager le puits, voire nuire à son intégrité. Lorsque ces fluides employés sous pression contiennent des composés insolubles (ce qui est très souvent le cas, notamment pour les coulis de ciment pétrolier ou bien les fluides de forages ou de fracturation comprenant des polymères), l'effet de perte de fluide induit en parallèle une concentration du fluide, ce qui peut conduire à une augmentation de viscosité affectant la mobilité du fluide.
Dans le cas particulier d'un coulis de ciment, la perte de fluide peut en outre induire une prise trop rapide du ciment, avant que l'espace de l'annulaire soit cimenté, ce qui peut, entre autres, fragiliser la structure du puits et nuire à son étanchéité.
Pour plus de détails concernant l'effet de perte de fluide et ses effets en cimentation, on pourra notamment se reporter à Well Cementing, E.B. Nelson (Elsevier, 1990).
En vue d'inhiber le phénomène de perte de fluide, il a été décrit un certain nombre d'additifs qui permettent de limiter (voir d'empêcher totalement dans certains cas) la fuite du liquide présent dans le fluide vers la roche avec laquelle il entre en contact. Ces additifs, dits « agents de contrôle du filtrat » (ou « fluid loss control agents » en anglais) permettent en général d'obtenir, en parallèle, un effet de contrôle de la migration de gaz, à savoir une isolation du fluide vis-à-vis des gaz contenus dans la roche (gaz dont il convient d'éviter qu'ils ne pénètrent le fluide notamment dans le cas de coulis de ciment, ces gaz ayant tendance à fragiliser le ciment en cours de prise.
Divers agents de contrôle du filtrat du type précité ont été proposés, qui incluent notamment des dérivés cellulosiques (hydroxyéthylcellulose, par exemple) ou bien encore des copolymères à base d'AMPS comme ceux décrits par exemple dans US 4,632,186 ou US 4,515,635. Ces additifs ne sont pas toujours pleinement adaptés pour assurer, en pratique, une limitation efficace de la perte de fluide. En particulier, et c'est notamment le cas dans le domaine des coulis de ciment pétrolier, la présence d'autres additifs peut inhiber l'effet des agents employés pour assurer le contrôle du filtrat. En particulier, en présence de certains agents dispersants ou agents retardateurs de prise, les agents de contrôle du filtrat précités voient en général leurs propriétés se dégrader. Un but de la présente invention est de fournir de nouveaux agents de contrôle du filtrat pour des fluides injectés sous pression dans des formations souterraines, qui soient bien adaptés en pratique.
A cet effet, la présente invention fournit une voie d'accès à des copolymères séquencés particuliers, qui sont propres à assurer un effet de contrôle du filtrat lorsqu'ils sont employés avec des particules, avec lesquelles ils s'associent, ces particules pouvant être des particules présentes au sein de la formation souterraine ; et/ou des particules de ciment dans le cas d'un fluide employé en cimentation ; et/ou des particules injectées au sein de formations souterraines avec les copolymères. Plus précisément, selon un premier aspect, la présente invention a pour objet un procédé de préparation d'un copolymère séquencé P comprenant un premier bloc (A) lié à un second bloc (B), adapté, entre autres, à la préparation de copolymères séquencés utiles à titre d'agent de contrôle du filtrat, et qui comprend les étapes de polymérisation radicalaire contrôlée suivantes :
(E1 ) on met en contact, typiquement en milieu aqueux
- des monomères éthyléniquement insaturés mA, identiques ou différents, choisis pour la constitution du bloc (A) ;
- une source de radicaux libres adaptée à la polymérisation desdits monomères; et
- un agent de contrôle de la polymérisation radicalaire, de préférence comprenant un groupe thiocarbonylthio -S(C=S)- ; puis
(E2) on met en contact :
- le polymère obtenu à l'issue de l'étape (E1 ), qui joue le rôle d'agent de contrôle de la polymérisation radicalaire ;
- des monomères éthyléniquement insaturés mB„ identiques ou différents, choisis pour la constitution du bloc (B) ;
- une source de radicaux libres adaptée à la polymérisation desdits monomères; et
- un polymère P° non éthyléniquement insaturé et porteur d'hydrogènes labiles. Par « hydrogène labile », on entend, au sens de la présente description, un atome d'hydrogène susceptible d'être arraché par rupture homolytique lors d'une réaction de polymérisation radicalaire (par opposition par exemple à un proton acide). Typiquement, cet atome d'hydrogène est arraché par un radical primaire ou de propagation, le départ de cet hydrogène conduisant à la formation d'un radical.
Le procédé de préparation de la présente invention, incluant les étapes (E1 ) et (E2), est un procédé de synthèse de deux blocs polymères successifs par la technique bien connue de polymérisation radicalaire contrôlée, mais où la synthèse du deuxième bloc (bloc B) est spécifiquement réalisée en présence d'un polymère porteur d'hydrogènes labiles en plus des monomères éthyléniquement insaturés, ce par quoi, schématiquement, au moins une partie du polymère P° porteur d'hydrogènes labiles se greffe sur le bloc B au cours de sa synthèse.
Selon un autre aspect, l'invention a pour objet les polymères séquencés du type obtenus selon le procédé précité. Dans ce cadre, l'invention a notamment pour objet certains des polymères obtenus (ou susceptibles d'être obtenus) par le procédé précité, et qui comprennent :
- à titre de un premier bloc (A), un bloc dit « bloc court », de masse moléculaire moyenne en poids typiquement inférieure à 30 000 g/mol ; et
- un deuxième bloc (B), dit aussi ci-après «bloc long », de composition distincte de celle dudit premier bloc et de masse moléculaire moyenne en poids supérieure à
10 000 g/mol, par exemple supérieure à 100 000 g/mol, et qui intègre au moins une partie du polymère P° et soluble dans le fluide (F).
Selon encore un autre aspect plus spécifique, la présente invention a pour objet l'utilisation, à titre d'agent de contrôle du filtrat dans un fluide (F) injecté sous pression dans une formation souterraine,
où ledit fluide (F) comprend des particules solides (p) et/ou est mis en contact avec des particules solides (p) au sein de la formation souterraine suite à son injection,
d'un polymère séquencé (P) du type obtenu selon les étapes (E1 ) et (E2) précitées et comprenant : - un premier bloc (A), dit « bloc court », de masse moléculaire moyenne en poids typiquement inférieure à 30 000 g/mol, qui s'adsorbe, de préférence irréversiblement, sur au moins une partie des particules (p); et
- un deuxième bloc (B), dit «bloc long », de composition distincte de celle dudit premier bloc et de masse moléculaire moyenne en poids supérieure à 10 000 g/mol, par exemple supérieure à 100 000 g/mol, et soluble dans le fluide (F), et qui intègre au moins une partie du polymère P°
Selon un autre aspect, la présente invention a pour objet les fluides pour injection sous pression au sein d'une roche pétrolière ou d'un puits de forage comprenant les polymères séquencés spécifiques du type précités, ainsi que les blends pour la préparation de ces fluides comprenant ces polymères en association à des particules (p).
Les polymères spécifiques obtenus dans le cadre de la présente invention, de par la présence des deux blocs spécifiques (A) et (B) s'avère fournir un effet de contrôle du fluide particulièrement efficace : la présence du bloc (A) assure un ancrage du polymère sur les particules, et la présence du bloc long (B), de taille élevée et soluble, assure schématiquement un effet d'augmentation locale de la viscosité du fluide (F) autour des particules.
On obtient ainsi, à la surface des particules (p), la formation d'une couche polymère à base des blocs longs (B) ancrés sur les particules à l'aide des blocs (A), l'association particules/polymères ainsi réalisée formant en quelque sorte un « bouchon » de taille suffisante au niveau des porosités de la roche, qui permet de limiter, voire de bloquer totalement, le phénomène de filtrat.
Il est à noter que l'emploi de polymères à base de blocs longs (B) uniquement n'assurerait pas un contrôle du filtrat selon l'invention, qui nécessite un ancrage des blocs longs (B) sur les particules (p) via les blocs courts (A), comme cela est illustré dans les exemples donnés à la fin de la présente description.
Notamment pour que cet ancrage soit le plus efficace possible, il est préférable que l'interaction entre le bloc court (A) et les particules (p) soit la plus forte possible et, avantageusement, que cette interaction soit irréversible. De préférence, le bloc court (A) d'un polymère (P) utile selon l'invention comporte : • au moins un groupement chimique formant au moins une liaison de type ionique, covalente ou iono-covalente entre polymère et particule ; et/ou
• plusieurs groupements chimiques formant chacun au moins une liaisons hydrogène et/ou de Van der Waals entre polymère et particule, l'ensemble de ces liaisons formant ensemble une liaison globale de force au moins dans la gamme de celle d'une liaison de type ionique, covalente, iono-covalente.
Les interactions fortes entre particules et polymères permettent en outre, au besoin, d'employer le polymère (P) en présence d'additifs qui, habituellement, nuisent à l'efficacité des agents de contrôle du filtrat. En particulier, les polymères (P) tels qu'employés selon l'invention peuvent être mis en œuvre dans la plupart des formulations de fluides destinés à être injectés dans des roches pétrolières, notamment des coulis de ciment pétrolier comprenant des additifs de type dispersants ou agents retardateur de prise aussi bien que dans des fluides de forage et de fracturation.
Selon une première variante de l'invention, le fluide (F) injecté comprend le polymère (P) mais ne comprend pas de particules solides (p), et il rencontre lesdites particules (p) au sein de la formation souterraine suite à son injection. L'association entre particules et polymères se fait alors in situ. Un tel fluide peut par exemple être injecté lors d'une opération de forage, et les déblais de roche formés lors du forage assurent alors le rôle des particules (p) in situ.
Selon une variante alternative, le fluide (F) injecté comporte avant l'injection au moins une partie, et en général la totalité, des particules (p) associées au polymère (P), étant entendu qu'il peut éventuellement rencontrer d'autres particules (p) au sein de la formation souterraine.
Deux modes sont notamment envisageables dans ce cadre :
- mode 1 : le polymère (P) et les particules (p) sont mélangés lors de la formulation du fluide (F), sur le lieu de l'exploitation ou en amont, typiquement en additionnant les particules (p), à l'état sec ou éventuellement à l'état dispersé, à une composition comprenant le polymère (P) en solution. Selon cette variante, le fluide
(F) peut par exemple être un coulis de ciment pétrolier, que l'on prépare en ajoutant de la poudre de ciment à titre de particules (p) dans une composition aqueuse comprenant le polymère (P) en solution.
- mode 2 : le fluide (F) est fabriqué, avantageusement sur le lieu de l'exploitation, à partir d'une composition (pré-mélange) préparée en amont (désignée ci-après par le terme de « blend ») comprenant le polymère (P) et au moins une partie des particules (p), en général au sein d'un liquide dispersant. Pour former le fluide (F), ce blend est mélangé aux autres constituants du fluide (F).
Dans le cadre de ces modes 1 et 2, le polymère (P) présente accessoirement l'avantage non négligeable d'améliorer la dispersibilité et la mise en suspension des particules (p). Dans certains modes de réalisation, les polymères (P) associés aux particules (p) peuvent être employés principalement en tant qu'agent dispersant et stabilisant de la dispersion des particules (p), en assurant dans le même temps un effet d'agent de contrôle du filtrat.
Différents avantages et modes de réalisation particuliers de l'invention vont maintenant être décrits plus en détails. Les étapes (E1) et (E2)
La technique de polymérisation radicalaire contrôlée mise en œuvre dans les étapes (E1 ) et (E2) est une technique bien connue en soi, qui permet, à l'aide d'agent de contrôle de la polymérisation, d'obtenir des polymères de masses contrôlées et notamment des polymères séquencés dont on peut contrôler à la fois l'architecture et la taille de chacun des blocs.
Des procédés de polymérisation radicalaire contrôlée bien adaptés pour la synthèse des polymères (P) utiles selon l'invention sont les procédés dit RAFT ou MADIX, qui mettent typiquement en œuvre un procédé de transfert réversible par addition- fragmentation employant des agents de contrôle (dits également de transfert réversible), par exemple de type xanthate (composés porteurs de fonctions -SC=SO-). A titre d'exemples de tels procédés, il peut notamment être fait mention de ceux décrits dans WO96/30421 , WO 98/01478, WO 99/35178, WO 98/58974, WO 00/75207, WO 01/42312, WO 99/35177, WO 99/31 144, FR2794464 ou WO 02/26836.
Ces procédés dits de « polymérisation radicalaire contrôlée » conduisent de façon bien connue à la formation de chaînes polymères qui croissent sensiblement toutes à la même vitesse, ce qui se traduit par une augmentation sensiblement linéaire des masses moléculaires avec la conversion et une distribution des masses resserrée, avec un nombre de chaînes qui reste typiquement sensiblement fixe pendant toute la durée de la réaction, ce qui permet de contrôler très aisément la masse molaire moyenne du polymère synthétisé (le rapport initial monomère/agent de contrôle définit le degré de polymérisation obtenu pour les chaînes synthétisé). Les chaînes obtenues présentent par ailleurs en général un caractère « vivant » : elles présentent en bout de chaîne le groupement réactif présent sur l'agent de contrôle. On peut de ce fait poursuivre la polymérisation sur la chaîne polymère obtenue, en conservant le caractère contrôlé de la polymérisation, ce qui peut notamment être utilisé pour synthétiser à l'extrémité d'un premier bloc polymère de taille contrôlée un autre bloc de composition différente et également de taille contrôlée .
Dans chacune des étapes (E1 ) et (E2), la taille du bloc polymère en formation est contrôlée par le rapport molaire monomère/agent de contrôle correspondant à la quantité initiale de monomères rapportée à la quantité d'agent de contrôle : schématiquement, toutes les chaînes croissent à partir de chacun des agents de contrôle présent et les monomères se répartissent de façon homogène sur toutes les chaînes en croissance. Le rapport molaire monomère/agent de contrôle dicte de ce fait le degré de polymérisation du bloc synthétisé dans chacune des étapes, et permet donc de définir la masse moléculaire moyenne en nombre théorique attendue pour chacun des blocs.
Typiquement, les rapports molaire monomère/agent de contrôle dans les étapes (E1 ) et (E2) sont choisis de façon à ce que :
• La masse moléculaire moyenne en nombre théorique du bloc (A) est comprise entre 250 et 25 000 g/mol, de préférence entre 500 et 15 000 g/mol, notamment entre 1 000 et 10000g/mol.
• La masse moléculaire moyenne en nombre théorique du bloc (B) est comprise entre 70 000 et 5 000 000 g/mol, de préférence entre 80 000 et 3 000 000 g/mol, notamment entre 90 000 et 2 000 000 g/mol. Lorsque le polymère est destiné à une opération de cimentation, cette masse moléculaire moyenne en nombre théorique du bloc (B) est plus préférentiellement entre 90 000 et 1 000 000 g/mol, avantageusement entre 100 000 et 500 000 g/mol. Le bloc (B) peut avantageusement être préparé dans l'étape (E2) en mettant en contact
- les monomères éthyléniquement insaturés mB ; - la source de radicaux libres adaptée à la polymérisation desdits monomères; et
- le polymère préparé selon l'étape (E1 ) qui joue le rôle d'agent de contrôle de la polymérisation radicalaire, de préférence comprenant un groupe thiocarbonylthio - S(C=S)-, et sur lequel se greffe le bloc (B)
- le polymère P° avec une concentration en monomères au sein du milieu réactionnel de l'étape (E2) qui est suffisamment élevée pour induire la gélification du milieu si la polymérisation était conduite en l'absence de l'agent de contrôle.
Cette technique de polymérisation permet d'accéder à des blocs (B) de tailles élevées. Avantageusement, la synthèse du bloc (B) peut être réalisée dans les conditions de polymérisation décrites dans la demande WO 2012/042167.
Alternativement, lorsque le bloc (B) est hydrophile, le bloc (B) peut être synthétisé: en mettant en contact, au sein d'un milieu aqueux (M) dans lequel le bloc (B) formé n'est pas soluble :
- les monomères éthyléniquement insaturés mB, choisis solubles dans le milieu aqueux (M)
- la source de radicaux libres ;
- le polymère P° ; et
- un stabilisant réactif qui comprend :
- une chaîne polymère (CP) soluble dans le milieu (M)
- un groupe (G) assurant un caractère vivant et contrôlé à la polymérisation radicalaire de l'étape (E), tel que, par exemple, un groupe porteur d'un groupe thiocarbonylthio -S(C=S)- De façon générale, les conditions à mettre en œuvre dans les étapes de polymérisation précitées peuvent être celles typiquement mises en œuvre dans les polymérisations radicalaires contrôlées.
En particulier, on peut utiliser dans les étapes (E1 ) et (E2) du procédé de l'invention toute source de radicaux libres connue en soi. Il peut s'agir par exemple d'un des initiateurs suivants :
- les peroxydes d'hydrogène tels que : l'hydroperoxyde de butyle tertiaire, l'hydroperoxyde de cumène, le t-butyl-peroxyacétate, le t-butyl-peroxybenzoate, le t- butylperoxyoctoate, le t-butylperoxynéodécanoate, le t-butylperoxyisobutarate, le peroxyde de lauroyle, le t-amylperoxypivalte, le t-butylperoxypivalate, le peroxyde de dicumyl, le peroxyde de benzoyle, le persulfate de potassium, le persulfate d'ammonium,
- les composés azoïques tels que : le 2-2'-azobis(isobutyronitrile), le 2,2'-azobis(2- butanenitrile), le 4,4'-azobis(4-acide pentanoïque), le 1 ,1 '-azobis(cyclohexane- carbonitrile), le 2-(t-butylazo)-2-cyanopropane, le 2,2'-azobis[2-méthyl-N-(1 ,1 )- bis(hydroxyméthyl)-2-hydroxyéthyl] propionamide, le 2,2'-azobis(2-méthyl-N- hydroxyéthyl]-propionamide, le dichlorure de 2,2'-azobis(N,N'- diméthylèneisobutyramidine), le dichlorure de 2,2'-azobis (2-amidinopropane), le 2,2'- azobis (Ν,Ν'-diméthylèneisobutyramide), le 2,2'-azobis(2-méthyl-N-[1 ,1 -bis (hydroxyméthyl)-2-hydroxyéthyl] propionamide), le 2, 2'-azobis(2-méthyl-N-[1 ,1 -bis (hydroxyméthyl)éthyl] propionamide), le 2,2'-azobis[2-méthyl-N-(2-hydroxyéthyl) propionamide], le 2,2'-azobis(isobutyramide) dihydrate,
- les systèmes redox comportant des combinaisons telles que :
- les mélanges de peroxyde d'hydrogène, d'alkyle, peresters, percarbonates et similaires et de n'importe lequel des sels de fer, de sels titaneux, formaldéhyde sulfoxylate de zinc ou formaldéhyde sulfoxylate de sodium, et des sucres réducteurs,
- les persulfates, perborate ou perchlorate de métaux alcalins ou d'ammonium en association avec un bisulfite de métal alcalin, tel que le métabisulfite de sodium, et des sucres réducteurs, et
- les persulfates de métal alcalin en association avec un acide arylphosphinique, tel que l'acide benzène phosphonique et autres similaires, et des sucres réducteurs. Notamment dans le cas de polymérisation effectuées en milieu aqueux, il peut d'utiliser un amorceur radicalaire de type redox, qui présente l'avantage de ne pas nécessiter un chauffage du milieu réactionnel (pas d'amorçage thermique), ce qui permet de mieux gérer encore l'exothermie de la réaction. Ainsi, la source de radicaux libres employée peut typiquement être choisie parmi les amorceurs redox classiquement utilisés en polymérisation radicalaire, typiquement ne nécessitant pas de chauffage pour leur amorçage thermique. Il s'agit typiquement d'un mélange d'au moins un agent oxydant avec au moins un agent réducteur.
L'agent oxydant présent dans le système redox est de préférence un agent hydrosoluble. Cet agent oxydant peut par exemple être choisi parmi les peroxydes, tels que : le peroxyde d'hydrogène, l'hydroperoxyde de butyle tertiaire, l'hydroperoxyde de cumène, le t-butyl-peroxyacétate, le t-butyl-peroxybenzoate, le t-butylperoxyoctoate, le t- butylperoxynéodécanoate, le t-butylperoxyisobutarate, le peroxyde de lauroyle, le t- amylperoxypivalte, le t-butylperoxypivalate, le peroxyde de dicumyl, le peroxyde de benzoyle ; le persulfate de sodium, le persulfate de potassium, le persulfate d'ammonium, ou bien encore le bromate de potassium.
L'agent réducteur présent dans le système redox est également, de préférence, un agent hydrosoluble. Cet agent réducteur peut typiquement être choisi parmi le formaldéhyde sulfoxylate de sodium (notamment sous sa forme de dihydrate, connue sous le nom de Rongalit ou sous la forme d'un anhydride), l'acide ascorbique, l'acide érythorbique, les sulfites, bisulfites ou métasulfites (sulfites, bisulfites ou métasulfites de métaux alcalins en particulier), les nitrilotrispropionamides, et les aminés et ethanolamines tertiaires (de préférence hydrosolubles).
Des systèmes redox possibles comportent des combinaisons telles que :
- les mélanges de persulfates hydrosolubles avec des aminés tertiaires hydrosolubles,
- les mélanges de bromates hydrosolubles (bromate de métaux alcalins par exemple) avec des sulfites hydrosolubles (sulfites de métaux alcalins par exemple) ,
- les mélanges de peroxyde d'hydrogène, d'alkyle, peresters, percarbonates et similaires et de n'importe lequel des sels de fer, de sels titaneux, formaldéhyde sulfoxylate de zinc ou formaldéhyde sulfoxylate de sodium, et des sucres réducteurs,
- les persulfates, perborate ou perchlorate de métaux alcalins ou d'ammonium en association avec un bisulfite de métal alcalin, tel que le métabisulfite de sodium, et des sucres réducteurs, et
- les persulfates de métal alcalin en association avec un acide
arylphosphinique, tel que l'acide benzène phosphonique et autres similaires, et des sucres réducteurs.
Un système redox intéressant comprend (et de préférence consiste en) par exemple l'association de persulfate d'ammonium et de formaldéhyde sulfoxylate de sodium.
De façon générale, et en particulier dans le cas de l'utilisation d'un système redox du type persulfate d'ammonium/formaldéhyde sulfoxylate de sodium, il s'avère préférable que le milieu réactionnel de l'étape (E) soit exempt de cuivre. En cas de présence de cuivre, il est en général souhaitable d'ajouter un complexant du cuivre, tel que de l'EDTA.
La nature de l'agent de contrôle mis en œuvre dans les étapes de synthèse des blocs (A) et (B) peut quant à elle varier en une large mesure.
Selon une variante intéressante, l'agent de contrôle utilisé est un composé porteur d'un groupe thiocarbonylthio -S(C=S)-. Selon un mode de réalisation particulier, l'agent de contrôle peut être porteur de plusieurs groupes thiocarbonylthio.
Il peut éventuellement s'agir d'une chaîne polymère porteuse d'un tel groupe. Ainsi, l'agent de contrôle employé dans l'étape (E2) est un polymère vivant issu de l'étape (E1 ). On peut de même envisager que l'agent de contrôle de l'étape (E1 ) soit issu d'une étape (E0) préalable dans laquelle on a réalisé la polymérisation radicalaire d'une composition comprenant :
- des monomères éthyléniquement insaturés ;
- un agent de contrôle de la polymérisation radicalaire comprenant au moins un groupe thiocarbonylthio -S(C=S)- ; et
- un amorceur de la polymérisation radicalaire (source de radicaux libres). Plus généralement, un agent de contrôle adapté à la synthèse du polymère (P) utile selon l'invention répond avantageusement à la formule (A) ci-dessous :
dans laquelle :
- Z représente :
. un atome d'hydrogène,
. un atome de Chlore,
. un radical alkyl éventuellement substitué, aryl éventuellement substitué,
. un hétérocycle éventuellement substitué,
. un radical alkylthio éventuellement substitué,
. un radical arylthio éventuellement substitué,
. un radical alkoxy éventuellement substitué,
. un radical aryloxy éventuellement substitué,
. un radical amino éventuellement substitué,
. un radical hydrazine éventuellement substitué,
. un radical alkoxycarbonyl éventuellement substitué,
. un radical aryloxycarbonyl éventuellement substitué,
. un radical carboxy, acyloxy éventuellement substitué,
. un radical aroyloxy éventuellement substitué,
. un radical carbamoyle éventuellement substitué,
. un radical cyano,
. un radical dialkyl- ou diaryl-phosphonato,
. un radical dialkyl-phosphinato ou diaryl-phosphinato, ou
. une chaîne polymère,
Ri représente . un groupe alkyle, acyle, aryle, aralkyle, alcène ou alcyne éventuellement substitué,
. un cycle carboné ou un hétérocycle, saturé ou non, aromatique éventuellement substitué, ou
. une chaîne polymère.
Les groupes Ri ou Z, lorsqu'ils sont substitués, peuvent l'être par des groupes phényles éventuellement substitués, des groupes aromatiques éventuellement substitués, des cycles carbonés saturés ou non, des hétérocycles saturé ou non, ou des groupes : alkoxycarbonyle ou aryloxycarbonyle (-COOR), carboxy (-COOH), acyloxy (-O2CR), carbamoyle (-CONR2), cyano (-CN), alkylcarbonyle, alkylarylcarbonyle, arylcarbonyle, arylalkylcarbonyle, phtalimido, maleïmido, succinimido, amidino, guanidimo, hydroxy (- OH), amino (-NR2), halogène, perfluoroalkyle CnF2n+i , allyle, époxy, alkoxy (-OR), S- alkyle, S-aryle, des groupes présentant un caractère hydrophile ou ionique tels que les sels alcalins d'acides carboxyliques, les sels alcalins d'acide sulfonique, les chaînes polyoxyde d'alkylène (PEO, POP), les substituants cationiques (sels d'ammonium quaternaires), R représentant un groupe alkyle ou aryle, ou une chaîne polymère.
Selon un mode de réalisation particulier, est un groupe alkyle substitué ou non, de préférence substitué.
Les groupes alkyle, acyle, aryle, aralkyle ou alcyne éventuellement substitués présentent généralement 1 à 20 atomes de carbone, de préférence 1 à 12, et plus préférentiellement 1 à 9 atomes de carbone. Ils peuvent être linéaires ou ramifiés. Ils peuvent être également substitués par des atomes d'oxygène, sous forme notamment d'esters, des atomes de soufre ou d'azote.
Parmi les radicaux alkyle, on peut notamment citer le radical méthyle, éthyle, propyle, butyle, pentyle, isopropyle, tert-butyle, pentyle, hexyle, octyle, decyle ou dodécyle.
Les groupes alcynes sont des radicaux généralement de 2 à 10 atomes de carbone, ils présentent au moins une insaturation acétylénique, tel que le radical acétylenyle.
Le groupe acyle est un radical présentant généralement de 1 à 20 atomes de carbone avec un groupement carbonyle.
Parmi les radicaux aryle, on peut notamment citer le radical phényle, éventuellement substitué notamment par une fonction nitro ou hydroxyle. Parmi les radicaux aralkyle, on peut notamment citer le radical benzyle ou phénéthyle, éventuellement substitué notamment par une fonction nitro ou hydroxyle.
Lorsque Ri ou Z est une chaîne polymère, cette chaîne polymère peut être issue d'une polymérisation radicalaire ou ionique ou issue d'une polycondensation. Dans le cadre de la présente invention, il est notamment intéressant d'employer à titre d'agents de contrôle des xanthates, des trithiocarbonates, des dithiocarbamates, ou des dithiocarbazates.
Avantageusement, on utilise comme agent de contrôle des composés porteurs d'une fonction xanthate -S(C=S)0-, par exemple porteur d'une fonction O-ethyl xanthate de formule -S(C=S)OCH2CH3, comme par exemple le 0-ethyl-S-(1 -methoxycarbonyl ethyl) xanthate de formule (CH3CH(C02CH3))S(C=S)OEt.
Un autre agent de contrôle possible dans l'étape (E) est le dibenzyltrithiocarbonate de formule PhCH2S(C=S)SCH2Ph (où Ph=phényle).
Le polymère PO Le polymère P° mis en œuvre dans l'étape (E2) du procédé de l'invention peut varier en une très large mesure, sous réserve qu'il présente des hydrogènes labiles permettant son greffage sur le bloc B.
Ainsi, le polymère P° mis en œuvre dans l'étape (E2) du procédé de l'invention peut par exemple être un polymère d'origine naturelle non éthyléniquement insaturé choisi parmi :
- les polysaccharides (natifs ou modifiés) tels que les guars, celluloses ou dextrans, gommes xanthane, carraghenane, alginates, chitosans
- les lignites et lignosulfonates
- l'acide humique
- les peptides
- les mélanges de deux ou plusieurs de ces polymères
Alternativement, le polymère P° utilisé dans l'étape (E2) peut notamment être un polymère synthétique non éthyléniquement insaturé choisi parmi :
- les alcools polyvinyliques - les polyesters
- les poly(acide lactique)
- les polyamides
- les polyamines
- les poly(oxyde d'alkyle) tels que le polyethylène glycol PEG
- les polyuréthanes
- les polyacrylates
- les polyacrylamides
- les copolymères styrène butadiène
- les poly N vinylpyrolidone
- les mélanges de deux ou plusieurs de ces polymères
Dans l'étape (E2), le polymère P° est typiquement employé en solution. Alternativement, il peut éventuellement être mis en œuvre en dispersion aqueuse.
Le fluide (F) et le bloc long (B) Par « fluide », on entend, au sens de la description tout milieu, homogène ou non, comprenant un vecteur liquide ou visqueux transportant éventuellement une phase dispersée, liquide ou gélifiée, et/ou des particules solides, ledit milieu étant globalement pompable au moyen des dispositifs d'injection sous pression utilisés dans l'application considérée. Par « vecteur liquide ou visqueux» du fluide (F), on entend le fluide lui-même ; ou bien le solvant dans le cas où le fluide comprend des composés dissous et/ou la phase continue dans le cas où le fluide contient des éléments dispersés (gouttelettes de phase dispersée liquide ou gélifiée, particules solides...).
La nature du fluide (F) et du bloc long (B) des polymères (P) utilisés selon la présente invention peut varier en une assez large mesure, sous réserve de la compatibilité du vecteur liquide ou visqueux du fluide (F) et du bloc long (B). En particulier, on emploie un bloc long (B) de nature hydrophile lorsque le vecteur liquide ou visqueux présent dans le fluide (F) est de nature hydrophile ; inversement, lorsque le vecteur liquide ou visqueux du fluide (F) est hydrophobe, on emploie un bloc long (B) de nature hydrophobe. Le bloc long (B) des polymères utiles selon l'invention est spécifiquement soluble dans le fluide (F). On entend par là que le bloc long (B) pris isolément peut être dissous dans le vecteur liquide ou visqueux du fluide (F). De préférence, le bloc long (B) est soluble à 25°C et à 1 % en masse dans le vecteur liquide ou visqueux du fluide (F). La notion de « solubilité à 25°C » implique uniquement qu'on peut obtenir une solution plus ou moins visqueuse, voire gélifiée qui, à 25°C, ne conduit pas à une précipitation. Cette notion n'exclut pas que la mise en solution du bloc (B) puisse impliquer un chauffage préalable à plus de 25°C pour obtenir cette solution. En d'autres termes, la notion de « solubilité à 25°C » implique la possibilité de former une solution qui ne précipite pas à 25°C, et non pas la possibilité de former à 25°C une solution qui ne précipite pas.
Par ailleurs, il est préférable que le bloc long (B) développe le moins possible d'interactions, voire pas du tout d'interactions, avec les particules (p). Il est par ailleurs préférable que le bloc long (B) des polymères (P) utiles selon l'invention développe moins d'interactions avec les particules que le bloc court (A). En tout état de cause, le bloc (A) et le bloc (B) ont des compositions distinctes. On entend par là que:
• les blocs (A) et (B) comprennent des unités monomères distinctes ; ou
• au moins certains des monomères présents sur le bloc (A) ne sont pas présents sur le bloc (B); et/ou au moins certains des monomères présents sur le bloc (B) ne sont pas présents sur le bloc (A)
ou
• le bloc (A) et le bloc (B) comprennent les mêmes unités monomères, mais dans des proportions distinctes. Selon un mode de réalisation bien adapté, le fluide (F) est un fluide aqueux. Par
« aqueux », on entend ici que le fluide comprend à titre de vecteur liquide ou visqueux de l'eau, soit à titre d'unique constituant du vecteur liquide ou visqueux, soit en association avec d'autres solvants hydrosolubles.
En cas de présence de solvants autres que l'eau dans le vecteur liquide ou visqueux du fluide (F), l'eau reste avantageusement le solvant majoritaire au sein du vecteur liquide ou visqueux, présent avantageusement à raison d'au moins 50% en masse, voire d'au moins 75% en masse par rapport à la masse totale des solvants dans le vecteur liquide ou visqueux.
Lorsque le fluide (F) est un fluide aqueux, le bloc (B) est avantageusement un bloc de nature hydrophile. Par « bloc de nature hydrophile », on entend ici un bloc polymère qui, à l'état isolé, est soluble dans l'eau pure à raison de 1 % en masse à 25°C (la mise en solution pouvant éventuellement impliquer un chauffage), en formant une solution plus ou moins visqueuse, voire gélifiée, mais sans formation de précipité à 25°C.
Avantageusement, le bloc (B) de nature hydrophile employé lorsque le fluide (F) est un fluide aqueux est constitué au moins majoritairement par des unités monomères choisies dans le groupe consistant en les unités monomères U1 à U5 définies ci-après, et les mélanges de ces unités monomères :
- unités monomères U1 : unités monomères comprenant un groupement fonctionnel acrylamide, notamment diméthylacrylamide (DMA) ou bien encore (méth)acrylamide, morpholine N-oxide acrylamide, diacétone acrylamide ; le bloc (B) comprend avantageusement des unités monomères de ce type
- unités monomères U2 : unités monomères comprenant un groupement fonctionnel acide sulfonique ou sulfonate, incluant notamment les unités (méth)acrylate de 3-sulfopropyle, acide 2-propène-1 -sulfonique, 1 -allyloxy-2 hydroxypropyle sulfonate de sodium (COPS1 ), notamment acide 2-acrylamido- 2-méthyle propane sulfonique (AMPS), sulfonate de (méth)allyle, vinyle sulfonate de sodium, sodium styrène sulfonate, 3-sulfopropyldiméthyl-3- méthacrylamidopropylammonium, N-(2-méthacryloyloxyéthyl)-N,N-diméthyl-N- (3-sulfopropyl)ammoniumbétaine, N-(2-1 -(3-sulfopropyl)-2-vinylpyridinium- bétaine. - unités monomères U3 : unités monomères neutres incluant entre autres : les esters d'acides mono- ou di- carboxyliques [alpha], [beta]-éthyléniquement insaturés avec des alcanediols en C2-C30 ou des polyéthyleneglycol, par exemple les 2-hydroxyéthylacrylate, 2-hydroxyéthylméthacrylate, 2- hydroxyéthyléthacrylate, 2-hydroxypropylacrylate, 2- hydroxypropylméthacrylate, 3-hydroxypropyl acrylate, 3- hydroxypropylméthacrylate, 3-hydroxybutylacrylate, 3-hydroxybutyl méthacrylate, 4-hydroxybutylacrylate, 4-hydroxybutylméthacrylate, 6-hydroxy hexylacrylate, 6-hydroxyhexylméthacrylate, 3-hydroxy-2-éthylhexyl acrylate, 3- hydroxy-2-éthylhexylmethacrylate, N-(hydroxyméthyl)acrylamide, N-(2-hydroxy propyl)méthacrylamide, N-hydroxyéthylacrylamide, N-[tris(hydroxyméthyl) méthacrylamide, 4-acryloylmorpholine, 2-N-morpholinoéthyle méthacrylate, méth(acrylate) de polyéthylèneglycol, (méth)acrylate de diéthylène glycol, éthylène glycol méthyl éther (méth)acrylate, acrylate de 2-hydroxyéthyle, acrylate d'hydroxypropyle, acrylate de poly(propylène glycol), acrylate de 2- chloroéthyle,
les acrylate de tétrahydrofurfuryle, vinyl acétamide, vinyl pyrrolidone, N-vinyl pipéridone, N-vinyl caprolactam, N-vinyl-5-methyl-2-pyrrolidone, N-vinyl-5- ethyl-2-pyrrolidone, N-vinyl-6-méthyl-2-pipéridone, N-vinyl-6-éthyl-2- pipéridone, N-vinyl-7-méthyl-2-caprolactam, N-vinyl-7-ethyl-2-caprolactame. unités monomères U4 : unités monomères porteuses de groupements ammonium, notamment des esters d'acides mono- ou di- carboxyliques [alpha], [beta]-éthyléniquement insaturés avec des aminoalcools, comme les N,N-diméthylaminométhyl(méth)acrylate, N,N-diméthylaminoéthyl (méth)acrylate, Ν,Ν-diéthylaminoethyl acrylate, N,N-dimethylaminopropyl (méth)acrylate, N,N-diéthylaminopropyl(méth)acrylate et N,N- dimethylaminocyclohexyl (méth)acrylate ;
amides d'acides mono- ou di- carboxyliques [alpha], [beta]-éthyléniquement insaturés avec des diamines ayant au moins un groupe aminé primaire ou secondaire, tels que les N-[2-(diméthylamino)ethyl]acrylamide, N[2-(dimethyl amino)ethyl]methacrylamide, N-[3-(diméthylamino)propyl]acrylamide, N-[3- (diméthylamino)propyl]methacrylamide, N-[4-(diméthylamino)butyl]acrylamide, N-[4-(diméthylamino)butyl]méthacrylamide, N-[2-(diethylamino)ethyl] acrylamide, N-[4-(dimethylamino)cyclohexyl]acrylamide, N-[4-(dimethylamino) cyclohexyl]méthacrylamide
Ν,Ν-diallylamines et N,N-diallyl-N-alkylamines incluant notamment les 3- sulfopropyldiméthyl-3-méthacrylamidopropylammonium, N-(2-méthacryloyl oxyéthyl)-N,N-diméthyl-N-(3-sulfopropyl)ammoniumbétaine, N-(2-1 -(3-sulfo propyl)-2-vinylpyridiniumbétaine, et N-(2-1 -(3-sulfopropyl)-4-vinylpyridinium bétaine - unités monomères U5 : unités monomères acrylate, porteuses de groupement COOH ou COO-, incluant notamment l'acide acrylique, l'acide méthacrylique, l'acide éthacrylique, l'acide [alpha]-chloro-acrylique, l'acide crotonique, l'acide maléique, l'acide itaconique, l'acide citraconique, l'acide mésaconique, l'acide glutaconique, l'acide aconitique, l'acide fumarique ; les monoesters d'acide dicarboxylique monoéthyléniquement insaturés en C4-C10 et de préf rence en C4 à C6, comme le maléate de monométhyle. Selon un mode de réalisation possible, le bloc (B) de nature hydrophile employé lorsque le fluide (F) est un fluide aqueux est constitué essentiellement, voire exclusivement, par des unités monomères du type précité, où, dans les unités précitées, les groupes acides peuvent être en tout ou partie sous la forme d'acide libre et/ou sous forme de sel par exemple de potassium, sodium ou ammonium (forme neutralisée).
Au sens où elle est employée dans la présente description, l'expression « polymère ou bloc polymère constitué au moins majoritairement par des unités monomères 'x' » désigne un (bloc) homopolymère ou copolymère résultant de la polymérisation d'un mélange de monomères incluant des monomères x, ce (bloc) homopolymère ou copolymère comprenant moins de 25% en mole, de préférence moins de 15% et encore plus avantageusement moins de 10% en mole d'unités monomères autres que les unités 'x'.
L'expression « polymère ou bloc polymère constitué essentiellement par des unités monomères 'x' » désigne quant à elle, au sens de la présente description, un (bloc) homopolymère ou copolymère constitué au moins majoritairement par des unités monomères 'x' du type précité, comprenant plus spécifiquement moins de 5% en mole, de préférence moins de 2% et encore plus avantageusement moins de 1 % en mole d'unités monomères autres que les unités 'x'.
Selon un mode de réalisation particulier, compatible avec les modes précédents, le bloc (B) de nature hydrophile employé lorsque le fluide (F) est un fluide aqueux peut comprendre des monomères hydrophobes en faibles proportions, typiquement à raison d'au moins 0,05%, notamment au moins 0,1 %, voire au moins 0,5%, le cas échéant ; cette teneur en monomères hydrophobes restant de préférence inférieure à 10 %, par exemple inférieure à 5%, notamment moins inférieure à 3%,voire à 2%, ces pourcentages étant exprimés en masse par rapport à la masse totale des unités monomères dans le bloc (B). Lorsque des monomères hydrophobes de ce type sont présents, ils peuvent typiquement (mais non limitativement) être choisis parmi les acrylates d'alkyle (comme l'acrylate de méthyle) ; le styrène ; les méthacrylates d'alkyle ; et/ou l'acétate de vinyle.
Le bloc long (B) présent dans les polymères employés selon la présente invention a par ailleurs une masse suffisamment élevée pour assurer l'effet de contrôle du filtrat recherché. A cet effet, le bloc (B) a typiquement une masse moléculaire moyenne en poids supérieure à 100 000 g/mol, de préférence supérieure à 150 000 g/mol, par exemple supérieur à 200 000 g/mol, notamment supérieur à 250 000 g/mol, et ce notamment lorsque le bloc (B) est de l'un des types précités. En pratique, cette masse moléculaire moyenne en poids reste le plus souvent inférieure à 3 000 000 g/mol (et typiquement comprise entre 150 000 et 2 000 0000 g/mol), mais des masses plus élevées peuvent être envisagées dans l'absolu, hormis dans le cas particulier d'un fluide (F) utilisé dans le cadre d'une opération de cimentation, où il est préférable que la masse moléculaire moyenne en poids du bloc long (B) reste inférieure à 1 000 000 g/mol, et avantageusement inférieure à 800 000 g/mol.
Dans le cadre de la présente invention, il a par ailleurs été mis en évidence, que, de façon surprenante, l'effet de contrôle du filtrat recherché est obtenu pour des blocs (B) ayant une masse moléculaire moyenne en poids plus faible que 100 000 g/mol. Ainsi, selon un mode de réalisation particulier, le bloc (B) a une masse moléculaire moyenne en poids comprise entre 10 000 et à 100 000 g/mol, de préférence d'au moins 20 000 g/mol, par exemple d'au moins 25 000 g/mol, cette masse moléculaire moyenne en poids pouvant typiquement être inférieure à 90 000, par exemple inférieure à 75 000, voire inférieure à 50 000 .
Une estimation de la masse moléculaire moyenne en poids du bloc long (B) peut être mesurée par une chromatographie d'exclusion stérique et mesure de masse utilisant une calibration externe avec des étalons de polyoxyde d'éthylène (CES relative), ce qui conduit à une valeur légèrement majorée de la masse moléculaire moyenne en poids désignée dans la présente description par Mw(CES relative).
Cette Mw(CES relative) est typiquement mesurée dans les conditions suivantes : Phase mobile :Mélange de 80% en masse d'eau désionisée additionnée de 0,1 M
NaN03 et 20% en masse d'acetonitrile,. Débit : 1 ml/min
Colonnes : Shodex OHpak SB 806 MHQ (3 colonnes de 30 cm)
Détection: Indice de réfraction (détecteur de concentration Agilent)
Concentration des échantillons: environ 0,5 % en masse de matière sèche dans la phase mobile
Injection: 100 μΙ
Référence interne: éthyleneglycol Etalonnage : polyoxyde d'ethylene PEO La Mw(CES relative) du bloc long (B) des polymères (P) utiles selon l'invention est en général supérieure ou égale à 125 000 g/mol de préférence supérieure ou égale à 150 000 g/mol, cette Mw(CES relative) étant typiquement entre 200 000 et 2 500 000 g/mol, notamment entre 250 000 et 2 000 000 g/mol. Selon un mode de réalisation plus particulier, elle peut être inférieure à 125 000 g/mol , par exemple comprise entre 12 500 et 100 000 g/mol.
Dans le cas d'un fluide (F) utilisé dans le cadre d'une opération de cimentation, la Mw(CES relative) du bloc long (B) des polymères (P) et typiquement (mais non limitativement) entre 25 000 et 900 000 g/mol, par exemple entre 250 000 et 900 000 g/mol. En pratique, on mesure la Mw(CES relative) du polymère (P), qui, du fait de la faible masse du bloc (A) représente également une assez bonne approximation, majorée, de la masse moléculaire moyenne en masse du bloc (B). La Mw(CES relative) du polymère (P) est en général supérieure ou égale à 15 000 g/mol, et par exemple supérieure ou égale à 150 000 g/mol, de préférence supérieure ou égale à 200 000 g/mol, par exemple supérieure ou égale à 300 000 g/mol, notamment supérieur ou égale à 400 000 g/mol, cette Mw(CES relative) du polymère (P) étant typiquement entre 200 000 g/mol et 2 500 000 g/mol, notamment entre 250 000 g/mol et 2 000 000 g/mol. Elle est plus particulièrement entre 25 000 et 900 000 g/mol, par exemple entre 250 000 g/mol et 800 000 g/mol dans le cas d'un fluide (F) utilisé dans le cadre d'une opération de cimentation. Dans le cas particulier où le fluide (F) est utilisé dans une opération de cimentation
(coulis de ciment pétrolier, typiquement) :
• le bloc (B) est avantageusement un bloc de nature hydrophile, de préférence comprenant des unités U1 du type précité, notamment des unités diméthylacrylamide DMA, éventuellement, mais non nécessairement, en association avec des unités U2, notamment des unités acide acrylamidométhylpropanesulfonique (AMPS), éventuellement en tout ou partie sous forme de sulfonate, par exemple sous la forme de son sel de sodium.
Selon un mode de réalisation particulier, le bloc (B) est constitué au moins majoritairement (par exemple essentiellement, voire exclusivement) par un mélange d'unités DMA et AMPS, avec un rapport molaire DMA/AMPS par exemple compris entre 60/40 et 90/10, notamment entre 75/25 et 85/15 et typiquement de l'ordre de 80/20.
• le bloc (B) a typiquement une masse moléculaire moyenne en poids comprise entre 150 000 et 750 000 g/mol, de préférence entre 200 000 et 700 000 g/mol.
Alternativement, le bloc (B) peut avoir une masse moléculaire moyenne en poids comprise entre 15 000 et 150 000 g/mol, de préférence entre 20 000 et 100 000 g/mol.
• le bloc (B) a typiquement une Mw(GPC relative) comprise entre 200 000 et 800 000 , de préférence entre 250 000 et 900 000 g/mol , par exemple 300 000 à
600 000 g/mol le polymère (P) ayant en général une Mw(CES relative) comprise dans ces gammes. Le bloc (B) peut alternativement avoir une Mw(GPC relative) comprise entre 20 000 et 200 000 , de préférence entre 25 000 et 180 000 g/mol , par exemple 30 000 et 150 000 g/mol, le polymère (P) ayant en général une Mw(CES relative) comprise dans ces gammes.
Le bloc long (B) employé lorsque le fluide (F) est un coulis de ciment pétrolier est typiquement un bloc statistique DMA/AMPS, avec un ratio molaire DMA/AMPS entre 75/25 et 85/15 (typiquement de l'ordre de 80/20), et une Mw(GPC-MALS) comprise entre 20 000 et 7500 000, notamment entre 200 000 et 750 0000, par exemple entre 400 000 et 600 000. Les particules (p) et le bloc court (A)
La notion de « particule » au sens où elle est employée dans la présente description ne se cantonne pas à celle de particules individualisées. Elle désigne de façon plus générale des entités solides dispersables au sein d'un fluide, sous la forme d'objets (particules individuelles, agrégats ...) dont toutes les dimensions sont inférieures à 5 mm, de préférence à 2 mm, par exemple inférieures à 1 mm.
La nature des particules (p) et du bloc court (A) des polymères (P) utilisés selon la présente invention peuvent varier en une assez large mesure, sous réserve que le bloc (A) interagisse avec les particules (p) et conduise à une immobilisation, de préférence irréversible, de polymère (P) sur la surface des particules (p).
Pour ce faire, le bloc (A) comprend en général des unités monomères porteuses de groupements développant avec les particules (p) des interactions plus fortes que le bloc long (B).
Selon un mode de réalisation bien adapté, les particules (p) sont des particules minérales introduites au sein du fluide (F) ou avec lesquelles le fluide (F) entre en contact suite à son injection. Ces particules (p) sont alors typiquement des particules de ciment, de carbonate de calcium, d'argile, de barite, de silice, de sable ou de noir de carbone. Selon ce mode de réalisation, le bloc (A) est de préférence constitué au moins majoritairement (et de préférence essentiellement, voire exclusivement) par des unités monomères choisies dans les groupes préférentiels définis ci-après, à adapter au cas par cas en fonction de la nature des particules (p). :
• pour des particules (p) de carbonate de calcium ou de ciment : le bloc (A) peut notamment être constitué au moins majoritairement (et de préférence essentiellement, voire exclusivement) par :
■ des unités monomères U5 du type précité, avantageusement présentes dans le bloc (A) ; et/ou
■ des unités monomères U3 du type précité ; et/ou
■ des unités monomères U6 porteuses de groupements phosphate, phosphonate ou phosphinate (sous forme d'acide libre et/ou sous forme saline), comme par exemple des unités phosphate de monoacryloxyéthyle, phosphate de bis(2-méthacryloxyéthyle), les unités monomères introduites en employant les Sipomer PAM 100, 200, 400 ou 5000 disponibles auprès de la société Solvay, l'acide vinylphosphonique, l'acide allylphosphonique, l'acide isopropylphosphonique, le phosphonate de diallyle aminométhylène et leurs sels.
Le bloc (B) est alors typiquement constitué au moins majoritairement (et de préférence essentiellement, voire exclusivement) par des unités U1 et/ou U2 du type précité
• pour des particules (p) de silice ou de sable : le bloc (A) peut notamment être constitué au moins majoritairement (et de préférence essentiellement, voire exclusivement) par :
■ des unités monomères U3 du type précité ; et/ou
■ des unités monomères U4 du type précité ; et/ou
■ des unités monomères U7 (méth)acrylate fonctionnalisé par des polydimethylsiloxanes comme le triméthylsiloxy PEG 4-5 methacrylate, ou le(3-trimethoxysilyl)propyl methacrylate
Le bloc (B) est alors typiquement constitué au moins majoritairement (et de préférence essentiellement, voire exclusivement) par des unités U1 et/ou U2 et/ou U5 du type précité
• pour des particules (p) d'argile : le bloc (A) peut notamment être constitué au moins majoritairement (et de préférence essentiellement, voire exclusivement) par
■ des unités monomères U4 du type précité ; et/ou
■ des unités monomères U6 du type précité. Le bloc (B) est alors typiquement constitué au moins majoritairement (et de préférence essentiellement, voire exclusivement) par des unités U1 et/ou U2 du type précité. pour des particules (p) de noir de carbone le bloc (A) peut notamment être constitué au moins majoritairement (et de préférence essentiellement, voire exclusivement) par des unités U8 hydrophobes, incluant notamment
les esters d'acides mono ou di-carboxylique [alpha], [betaj-éthyléniquement insaturés avec des alcools en C1 -C20, comme par exemple les méthyl (méth)acrylate, méthyl éthacrylate, éthyl (méth)acrylate, éthyl éthacrylate, n-propyl (méth)acrylate, isopropyl (méth)acrylate, n-butyl (méth)acrylate, sec-butyl (méth)acrylate, tert-butyl (méth)acrylate, tert-butyl éthacrylate, n-hexyl (méth)acrylate, n-heptyl (méth)acrylate, n-octyl (méth)acrylate, 1 ,1 ,3,3- tetraméthylbutyl (méth)acrylate, éthylhexyl (méth)acrylate, n-nonyl (méth)acrylate, n-decyl (méth)acrylate, n-undecyl (méth)acrylate, tridecyl(méth)acrylate, myristyl (méth)acrylate, pentadecyl (méth)acrylate, palmityl (méth)acrylate, heptadecyl (méth)acrylate, nonadecyl (méth)acrylate, arachinyl (méth)acrylate, béhényl (méth)acrylate, lignoceryl (méth)acrylate, cérotinyl (méth)acrylate, mélissinyl (méth)acrylate, palmitoléoyl (meth)acrylate, oléyl (méth)acrylate, linoléyl (méth)acrylate, linolényl (méth)acrylate, stéaryl (méth)acrylate, lauryl (méth)acrylate, les mono, di or tristyryl phényl (meth)acrylates éventuellement éthoxylés entre les groupes aromatique et méthacrylate ; et/ou les unités monomères vinylaromatiques comme le styrène, le 2-méthylstyrène, 4-méthylstyrène, 2-(n-butyl)styrène, 4-(n-butyl)styrène, 4-(n-decyl)styrène les unités monomères fluorées, comme les (méth)acrylates d'alkyle perfluorés ou hautement fluorés.
Les unités cationiques correspondant aux unités monomères U4 précitées. Le bloc (B) est alors typiquement constitué au moins majoritairement (et de préférence essentiellement, voire exclusivement) par des unités U1 et/ou U2 et/ou U5 du type précité Quelle que soit sa nature chimique, le bloc court (A) présent dans les polymères employés selon la présente invention a, en général, une masse moléculaire moyenne en poids entre 500 et 30 000 g/mol, par exemple entre 1000 et 25 000 g/mol et ce notamment lorsque le bloc (A) est de l'un des types précités. Selon un mode de réalisation particulièrement intéressant, employé lorsque les particules (p) sont des particules de ciment ou de carbonate de calcium, le bloc court (A) est un bloc homopolymère poly(acide acrylique) de masse moléculaire moyenne en poids allant de 1 000 à 20 000 g/mol.
La masse moléculaire en poids du bloc court (A) peut être mesurée notamment par une chromatographie par perméation de gel suivie d'une analyse par diffusion de la lumière multiangle (GPC-MALS).
Les polymères (P)
Les polymères utiles selon la présente invention sont des polymères particuliers, qui comprennent au moins deux blocs de taille très différente, incluant un bloc (B) de taille élevée.
Les polymères (P) utiles selon l'invention comprennent en général uniquement les blocs (B) et (A). Il s'agit typiquement de polymères diblocs (A)-(B), mais des polymères comportant davantage de blocs sont envisageables, notamment des copolymères comportant un bloc long (B) sur lequel sont greffés deux blocs courts ou plus (polymères triblocs de type (A)-(B)-(A) notamment), ou bien encore des copolymères comprenant un bloc espaceur entre le bloc (B) et le bloc (A).
Certains des polymères utiles selon la présente invention sont des polymères qui, à la connaissance des inventeurs n'ont jamais été décrits par le passé.
Ces polymères comprennent en particulier les polymères séquencés contenant, de préférence à titre d'uniques blocs :
- au moins un premier bloc pAA au moins majoritairement (et de préférence essentiellement, voire exclusivement) constitué par des unités acide acrylique, de masse moléculaire moyenne en poids entre 500 et 30 000 g/mol, notamment entre 1 000 et 20 000; et - un deuxième bloc p(DMA/AMPS) au moins majoritairement (et de préférence essentiellement, voire exclusivement) constitué par un mélange statistique d'unités DMA et AMPS, avec un rapport molaire DMA/AMPS compris entre 60/40 et 90/10, de masse moléculaire en poids supérieure à 150 000 g/mol, typiquement entre 200 000 et 2 000 000 g/mol et notamment entre 250 000 et 750 000 g/mol.
Ces polymères constituent un objet particulier de la présente invention, ainsi que
- les coulis de ciment pétrolier les comprenant ;
- les fluides aqueux pour injection sous pression au sein d'une roche pétrolière, notamment les fluides de forage et fluides de fracturation, les comprenant en association avec des particules minérales, ainsi que les blends pour la préparation de ces fluides.
Applications pratiques
Les polymères utiles selon l'invention peuvent être employés dans la quasi-totalité des fluides mis en œuvre en extraction pétrolière et potentiellement sujets à la perte de fluide.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention le fluide (F) est un coulis de ciment pétrolier, qui comprend le polymère (P) comme additif. Dans ce cas, le polymère (P), associé aux particules présentes dans ciment, assure l'effet de contrôle du filtrat lors de la cimentation. Selon un autre mode de réalisation, le fluide (F) est un fluide de forage ou un fluide de fracturation, qui comprend le polymère (P) associé à des particules (p). Les particules (p) sont alors le plus souvent introduites conjointement au polymère dans le fluide (F) avant l'injection du fluide. Le polymère assure alors en général une stabilisation de la dispersion des particules dans le fluide (F), en maintenant en suspension dans le fluide au moins une partie des particules (p).
Les concentrations en polymère et particules à employer dans ces différents fluides sont à adapter au cas par cas en fonction de l'application visée et de la rhéologie recherchée. Différents aspects et avantages de l'invention seront encore illustrés par l'exemple ci-après dans lesquels des polymères ont été préparés selon le procédé de l'invention.
Exemples Exemple 1.
polymère dit « hybride NaAMPS/n,n-DMA/AS/AM/Lignite caustique/PAA-Xa »
1 .1 : Synthèse d'un blocs polvfacide acrylique) à terminaison xanthate
(PAA-Xa )
Dans un ballon de 250 ml_ à température ambiante, on a introduit 30 g d'acide acrylique, dans un solvant aqueux ; un mélange de 35 g d'eau distillée et 28 g d'éthanol, 6.24g d'0-ethyl-S-(1 -methoxycarbonyl ethyl) xanthate de formule (CH3CH(C02CH3))S(C=S)OEt et 312 mg de 2,2'-Azobis(2-methylpropionamidine)di chlorhydrate. Le mélange a été dégazé par bullage d'azote pendant 20 minutes.
Le ballon a ensuite été placé dans un bain d'huile thermostaté à 60°C, et le milieu réactionnel a été laissé sous agitation pendant 4 heures à 60°C.
A l'issue de ces quatre heures, la conversion a été déterminée par RMN 1 H.
Une analyse en chromatographie d'exclusion stérique dans un mélange de l'eau et de l'acétonitrile (80/20) additivé de NaN03 (0,1 N) avec un détecteur MALLS dix-huit angles et fournit les valeurs de masse molaire moyenne en poids (Mw) et d'indice de polymolécularité (Mw/Mn) reporté dans le tableau 1 ci-dessous.
1 .2: Synthèse du polymère
On a introduit dans un réacteur double enveloppe de 1 L : 384.6g d'eau déminéralisée et 3.81 g de SYN-320E (antimoussant silicone). Le mélange a été mis sous agitation à l'aide d'un barreau magnétique, puis on a ajouté 33.9g de lignite Super Treat traitée à la soude et on a laissé l'agitation se poursuivre durant 15 min.
En maintenant Γ agitation, les composés suivants ont été introduits :
- acrylamide (68.2g d'une solution à 50% dans l'eau), - NaAMPS (sel sodique de l'acide 2-acrylamido2-methylpropanesulfonique (156.2g d'une solution à 50% dans l'eau)
- Ν,Ν-dimethylacrylamide (32.28g)
- allyle sulfonate de sodium (7.34g de solution à 35% dans l'eau),
- Versene 100 (0.194g),
- eau déminéralisée (6.78g),
- PAA-Xa préparé dans l'étape 1 .1 (7.50g de solution à 47.9% dans l'eau).
Le pH de la solution a été ajusté entre 8.7 et 9.5 avec une solution de NaOH à 25% (3.53g).
Le mélange réactionnel a été chauffé à 50°C et dégazé par bullage de l'azote pendant 30 min tout en agitant, à la fin de ces 30 min un ciel d'azote a été maintenu dans le réacteur avec un débit réduit de 1 scfh.
On a ensuite injecté à l'aide d'une seringue une solution de persulfate de sodium (2.65g de persulfate de sodium dans 7.92g d'eau déminéralisée) et on a laissé sous agitation pendant 1 min avant d'introduire une solution de métabisulfite de sodium (0.95g de métabisulfite de sodium dans 3.74g d'eau déminéralisée). Le milieu réactionnel a été agité pendant 10min, après observation de la fin de l'exothermie de polymérisation.
On a alors effectué une deuxième injection d'amorceurs (persulfate de sodium et métabisulfite de sodium) en utilisant le même protocole d'ajout que pour la première injection (0.839g de persulfate de sodium dans 2.5g d'eau déminéralisée/0.95g de métabisulfite de sodium dans 3.74g d'eau déminéralisée). Le milieu réactionnel a été agité pendant 10min.
Après observation de la fin de l'exothermie de polymérisation, une troisième injection d'amorceurs a été effectuée, en utilisant le même protocole que précédemment (0.56g de persulfate de sodium dans 1 .66g d'eau déminéralisée/0.69g de métabisulfite de sodium dans 2.71 g d'eau déminéralisée). Continuer d'agiter pendant 30 min après observation de la fin de l'exothermie de polymérisation, couper le flux d'azote. 1 .3. Performances
Les performances en termes de contrôle de la perte du filtrat (« Fluid loss ») ont été évaluées en utilisant du ciment de classe H d'une densité de 3.18g/cm3. La formulation et le test de filtration ont été réalisés selon la norme de l'American Petroleum Institute (API recommended practice for testing well céments 10B, 2nd édition April 2013).
Dans un mixer on a introduit le polymère à tester (36.0g) et de l'eau déminéralisée (256.1 g) et on les a mélangés à faible vitesse, jusqu'à obtention d'un mélange homogène.
En utilisant une vitesse de rotation modérée, on a introduit dans le mixer un mélange intime des additifs solides suivants (préalablement intimement mélangés dans un flacon) :
- ciment classe H (600g),
- fumée de silice (210g),
- retardateur de prise de type lignosulfonate (9.0g).
2ml_ de Syn-320E ont ensuite été ajoutés dans le mixer, puis une agitation forte a été appliquée jusqu'à obtention d'un vortex constant, soit jusqu'à environ 60 secondes après la fin de l'introduction des solides et du Syn-320E.
L'appareil utilisé pour mesuré la perte de filtrat ( Fluid loss) est le modèle 7120 de Chandier Engineering. Le coulis de ciment préparé au mixer a été versé dans la cellule de l'appareil Chandier. La cellule a été fermée et pressurisée à 500psi (35 bars) pour conditionner le ciment à une température de 176°C. Une agitation a été maintenue dans la cellule pendant toute la durée du conditionnement. Lorsque la température du produit a atteint les 176°C, on a éteint le moteur d'agitation, on a retourné la cellule et on a augmenté la pression du cylindre principal à 1 125psi. La contre pression du collecteur de filtrat a été ajustée à 125psi, de façon à assurer une filtration avec une pression différentielle de 1000psi. On a ensuite ouvert la vanne au le fond de l'appareil. Le volume de filtrat récupéré a été mesuré toutes les 2 min pendant 30 min.
Après 30 min de filtration, le volume total collecté a été mesuré. Ce volume multiplié par 2 correspond à la perte de filtrat « fluid loss » selon la norme API 10B :
le FLV (fluid loss volume) pour le polymère testé est de 20 mL à 176°C Exemple 2.
Copolymères diblocs poly(acide acrylique)-b-poly(N,N-dimethylacrylamide-co- AMPS) greffés avec PVA (alcool polyvinylique) 1 .1 : Synthèse d'un bloc polvfacide acrylique) à terminaison xanthate
La synthèse a été effectuée à l'échelle du laboratoire dans un réacteur en verre équipé d'une agitation mécanique, d'un système de chauffage / refroidissement et de régulation de température efficace et un système de reflux / condensation des vapeurs.
La composition de charges initiales des réactifs et des solvants (acrylique acide AA, Xanthate, eau, éthanol et V50) mis dans le réacteur est donnée dans le tableau 1 .
De rO-éthyle-S-(1 -methoxycarbonyl éthyle) xanthate (Rhodixan A1 ) de formule (CH3CH(C02CH3))S(C=S)OEt a été utilisé comme agent de transfert MADIX. La quantité indiquée dans le tableau 1 correspond à la valeur de la masse moléculaire en nombre théorique attendue (Mn, th = 1 kg/mol) calculée par le rapport de la quantité de monomère à la quantité de xanthate.
Le barbotage d'azote du mélange réactionnel a été utilisé pendant toute la synthèse.
La solution du monomère dans l'eau et de l'initiateur V-50 (2,2'-Azobis(2- methylpropionamidine)di chlorhydrate) dans l'eau ont été introduit dans le réacteur séparément de manière semi-continu durant des périodes déterminées et en gardant une température constante 60°C +/- 2 (voir tableau 1 avec charges et conditions de réaction).
Le mode opératoire général de synthèse est le suivant:
■ Préparer des solutions d'initiateur et du monomère dans l'eau et les mettre dans des récipients d'alimentation, en suite remplir des lignes d'alimentation du réacteur avec ces solutions.
■ Commencer un barbotage d'azote du réacteur. Maintenir le barbotage pendant toute la réaction.
■ Chargez l'eau déminéralisée, l'éthanol, l'acide acrylique (première partie), le Rhodixan A1 et l'initiateur V50 (première partie) dans le réacteur.
■ Commencez l'agitation à 150 RPM.
■ Chauffer le réacteur à 60°C ■ A température 60°C {+1-2) commencer une co-alimentation de la solution d'initiateur en semi-continu avec une alimentation séparée de la solution de monomère.
- Nourrir des quantités appropriées de la solution d'initiateur 2 au fil du temps approprié (voir tableau des conditions de réaction pour exemple particulier).
- À partir de même temps, nourrir des quantités appropriées de la solution de monomères dans le temps approprié (voir tableau 1 ci-dessous des conditions de réaction).
■ Après la fin de deux alimentations semi-continue, maintenir le chauffage à 60°C pendant 3 heures.
■ Refroidir le produit à une température <40°C et décharger le produit pour des analyses.
Selon cette procédure de l'acide polyacrylique fonctionnalisé par le groupement xanthate a été synthétisé avec une masse moléculaire en nombre visée à 1000 g/mol.
Tableau 1 .
Conditions de la synthèse de bloc poly(acide acrylique) vivant à terminaison xanthate
Les conversions de monomère et de Rhodixan A1 ont été déterminées par RMN 1 H.
Une analyse en chromatographie d'exclusion stérique dans un mélange de l'eau et de l'acétonitrile (80/20) additivé de NaN03 (0, 1 N) avec un détecteur MALLS dix-huit angles a fourni les valeurs de masse molaire moyenne en poids (Mw) et d'indice de polymolécularité (Mw/Mn) reporté dans le tableau 2 ci-après. Tableau 2
2.2 : Synthèse de copolvmères diblocs greffés avec PVA à partir du bloc A1
Polymères P1 à P3
Le bloc A1 préparé comme indiqué dans le paragraphe 1 .1 a été employé dans son milieu réactionnel obtenu, sans purification, avec une masse de polymère bloc A1 tel quel reportée dans le tableau 3 ci-dessous.
La synthèse a été effectuée à l'échelle du laboratoire dans un réacteur en verre équipé d'une agitation mécanique, d'un système de chauffage / refroidissement et de régulation de température efficace et un système de reflux / condensation des vapeurs.
La composition de charges initiales des réactifs et des solvants (première bloc A1 , 2- Acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid sodium sait - AMPS(Na), dimethylacrylamide - DMAM, eau, ammonium persulfate - APS, Hydroxymethanesulfinic acid monosodium sait dihydrate - NaFS) mis dans le réacteur est donnée dans le tableau 3. Le pH du mélange réactionnel mis dans le réacteur comme charge initiale a été ajusté à pH=2.2 +/-0.2 avec HCI à 10% dans l'eau.
Le bloc A1 a été utilisé comme agent de transfert MADIX. La quantité indiquée dans le tableau 3 correspond à la valeur de la masse moléculaire du deuxième bloc en nombre théorique attendue (Mn, th = 200 kg/mol) calculée par le rapport de la quantité de monomères à la quantité de blocs A1 .
Le barbotage d'azote du mélange réactionnel a été utilisé pendant toute la synthèse. La solution du mélange des monomères (AMPS(Na) et DMAM) dans l'eau, du réducteur (NaFS) et du polyalcool vinylique (APV) dans l'eau ont été introduits dans le réacteur séparément de manière semi-continue durant des périodes déterminées et en gardant une température constante 40°C +/- 2 (voir tableau 3 avec charges et conditions de réaction). Le mode opératoire général de synthèse est le suivant:
■ Préparer des solutions de réducteur, des monomères et du polyalcool vinylique APV dans l'eau et les mettre dans des récipients d'alimentation, en suite remplir des lignes d'alimentation du réacteur avec ces solutions.
■ Commencer un barbotage d'azote du réacteur. Maintenir le barbotage pendant toute la réaction.
■ Chargez l'eau déminéralisée, bloc A1 , AMPS(Na) (première partie), DMAM (première partie) l'initiateur APS et réducteur NaFS (première partie) dans le réacteur.
■ Commencez l'agitation à 150 RPM.
■ Chauffer le réacteur à 40°C
■ A température 40°C {+1-2) marquer le temps comme TO et commencer une co- alimentation de la solution de réducteur (2) en semi-continu avec une alimentation séparée de la solution des monomères.
- Nourrir des quantités appropriées de la solution de réducteur (2) au fil du temps approprié (voir tableau des conditions de réaction pour exemple particulier).
- À partir de même temps, nourrir des quantités appropriées de la solution des monomères dans le temps approprié (voir tableau 1 des conditions de réaction).
■ A temps TO+1 5 minutes ou TO+60 minutes (voir tableau 3 pour chaque dibloc particulier) commencer une alimentation semi-continue de la solution APV pendant 60 minutes.
■ Après la fin de toutes les alimentations semi-continues, maintenir le chauffage à 40°C pendant 3 heures.
■ Refroidir le produit à <30°C et décharger le produit pour des analyses
Selon cette procédure des copolymères diblocs de poly(acide acrylique)-b-poly(N,N- dimethylacrylamide-co-AMPSNa) greffés avec PVA (alcool polyvinylique ont été synthétisés avec une masse moléculaire en nombre visée à 200 000 g/mol.
Les charges particulières des réactifs et les conditions réactionnelles sont données dans les tableaux 3a et 3b ci-après.
Tableau 3b
Tableaux 3a et 3b : Conditions de la synthèse de diblocs greffés APV
La conversion des monomères a été calculé par analyse RMN 1 H (résultats dans le tableau 4 ci-dessous).
La viscosité de la solution du polymère a été mesurée à 25°C (Brookfield, vitesse 20 rpm, élément RV # 3). Des résultats d'analyse sont donnés dans le tableau 4 ci-après. Tableau 4 : polymères P1 à P3
2.2 : Evaluation des polymères diblocs dans des coulis de ciment
Les polymères diblocs P1 à P3 préparés dans les exemples ont été utilisés pour réaliser des coulis de ciment pétrolier ayant la formulation suivante :
Eau de ville : 334,4 g
Polymère dibloc (à 20% en solution aqueuse) : 19.5g
Anti-mousse organique : 2,1 g
Ciment Dykheroff black label (API Class G) : 781 ,5 g
L'agent de contrôle de filtrat est mélangé aux additifs liquides et à l'eau de ville avant incorporation du ciment.
La formulation et le test de filtration ont été réalisés selon la norme de l'American Petroleum Institute (API recommended practice for testing well céments 10B, 2nd édition April 2013).
Après mélange et dispersion de l'ensemble des constituants de la formulation, le coulis obtenu a été conditionné à 88°C pendant 20 minutes dans un consistomètre atmosphérique (modèle 1250 fourni par Chandier Engineering Inc.) préalablement stabilisé à cette température, ce qui permet de simuler les conditions subies par le coulis de ciment lors de la descente dans un puits.
La performance en contrôle de filtrat a été déterminée par une filtration statique à 88°C dans une cellule double ouverture de capacité 175mL équipée d'une grille métallique 325meshx60mesh (fourni par OFITE Inc., référence 170-45). Les performances des polymères dans les formulations de ciment sont reportées dans le tableau 5 ci-dessous : Polymère testé vol API (mL)
P1 42
P2 42

Claims

REVENDICATIONS
1 . - Procédé de préparation d'un copolymère séquencé P comprenant un premier bloc (A) lié à un second bloc (B) qui comprend les étapes de polymérisation radicalaire contrôlée suivantes :
(E1 ) on met en contact, typiquement en milieu aqueux :
- des monomères éthyléniquement insaturés mA, identiques ou différents, choisis pour la constitution du bloc (A) ;
- une source de radicaux libres adaptée à la polymérisation desdits monomères; et
- un agent de contrôle de la polymérisation radicalaire, de préférence comprenant un groupe thiocarbonylthio -S(C=S)- ;
puis
(E2) on met en contact :
- le polymère obtenu à l'issue de l'étape (E1 ), qui joue le rôle d'agent de contrôle de la polymérisation radicalaire ;
- des monomères éthyléniquement insaturés mB„ identiques ou différents, choisis pour la constitution du bloc (B) ;
- une source de radicaux libres adaptée à la polymérisation desdits monomères; et
- un polymère P° non éthyléniquement insaturé et porteur d'hydrogènes labiles.
2. - Procédé selon la revendication 1 , où le polymère PO utilisé dans l'étape (E2) est un polymère naturel non éthyléniquement insaturé choisi parmi :
- les polysaccharides (natifs ou modifiés) tels que les guars, celluloses ou dextranes, chitosanes, xanthanes, rhéozanes et pectines
- les lignites et lignosulfonates
- les alginates
- les gélatines - les carraghénanes
- les agars
- l'acide humique
- les peptides
- les protéines
- les mélanges de ces polymères
3. - Procédé selon la revendication 1 , où le polymère PO utilisé dans l'étape (E2) est un polymère naturel non éthyléniquement insaturé choisi parmi :
- les PVA
- les polyesters
- les poly(acide lactique)
- les polyamides
- les polyacrylates
- les polyacrylamides
- les polyamines
- les poly(oxyde d'alkyle) tels que le polyéthylène glycol PEG
- les polyuréthanes
- les polyacrylates
- les copolymères styrène butadiène
- les poly N vinylpyrolidone
- les mélanges de deux ou plusieurs de ces polymères
4. - Polymère séquencé susceptible d'être obtenu selon le procédé de l'une des revendications 1 à 3.
5. - Utilisation, à titre d'agent de contrôle du filtrat dans un fluide (F) injecté sous pression dans une formation souterraine,
où ledit fluide (F) comprend des particules solides (p) et/ou est mis en contact avec des particules solides (p) au sein de la formation souterraine suite à son injection,
d'un polymère séquencé (P) selon la revendication 4, comprenant : - à titre de un premier bloc (A), un bloc dit « bloc court », de masse moléculaire moyenne en poids typiquement inférieure à 30 000 g/mol ; et
- un deuxième bloc (B), dit aussi ci-après «bloc long », de composition distincte de celle dudit premier bloc et de masse moléculaire moyenne en poids supérieure à 10 000 g/mol, par exemple supérieure à 100 000 g/mol, et qui intègre au moins une partie du polymère P° et soluble dans le fluide (F).
6.- Utilisation selon la revendication 5, où le fluide (F) injecté comprend le polymère (P) mais ne comprend pas de particules solides (p), et rencontre lesdites particules (p) au sein de la formation souterraine suite à son injection.
7.- Utilisation selon la revendication 5, où le fluide (F) injecté comporte avant l'injection au moins une partie des particules (p) associées au polymère (P), le polymère étant avantageusement employé dans ce cas en tant qu'agent dispersant et stabilisant de la dispersion des particules (p).
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